analisis comparativo entre sistemass hart y analogicos

1. Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico
de Minatitlán
Ingeniería Electrónica
Integración de Sistemas
Práctica No. 1
Análisis comparativo entre sistemas
analógicos y HART
Nombre: Hernandez Lopez Johanán de Jesús
Lista

2. NOMBRE
Análisis comparativo entre sistemas analógicos y HART.
OBJETIVO
Que el alumno sea capaz de identificar las diferencias entre los sistemas analógicos (3-
15 PSI y 4-20 mA) y el sistemas hibrido HART, en cuanto a instalación, configuración,
mantenimiento, etc.
MATERIAL Y EQUIPO
 Computadora de escritorio.
 Acceso a internet.
METODOLOGIA
Se debe de mostrar el análisis con diagramas de conexión, procedimientos de
calibración y un cuadro comparativo de sus principales características, ventajas y
desventajas.
Esta práctica deberá de entregarse en formato digital en la plataforma google classroom
(clave de curso qijiblp), en archivo Word con el nombre Practica1_num, donde “num”
representa el número de lista de cada estudiante.
FUENTES DE INFORMACIÓN
La mencionada en el programa de estudios.
EVALUACIÓN
El valor para la práctica es de 10%, siempre y cuando cumpla con lo especificado en
la rúbrica de la misma.

3. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se vera la comparación entre los sistemas analógicos e híbridos.
En los sistemas analógicos tenemos señales eléctricas y neumáticas. En el protocolo
eléctrico se tiene una señal analógica que puede tener características discretas o
continuas, se mide en voltios, milivolts, amperes o miliamperes. En instrumentación es
empleado el rango de 4-20mA para definir corrientes de salida del instrumento de
medición. Por otra parte, el protocolo neumático consiste en una señal neumática que
emplea aire como salida del instrumento de medición. La presión estándar está en el
rango de 3 a 15psi el cual es un protocolo estandarizado.
El sistema hibrido HART es un protocolo el cual funciona con datos digitales que se
transmiten a lo largo de una señal analógica de 4-20mA (la señal de 4mA corresponde al
límite inferior del rango de calibración, mientras que 20mA corresponde al límite superior),
sin interferir con las señales análogas. Además, este protocolo permite una comunicación
bidireccional el cual admite la conexión de hasta 15 instrumentos a un solo cable; esta señal
permite manejar hasta 256 variable en cada dispositivo de campo.
Fundamento teórico
Sistemas analógicos.
Las señales analógicas, en las cuales la información del proceso se transmite a través de
diferentes niveles de voltaje o corriente, son el tipo de señal más utilizadas hoy día en las
industrias que requieren el control de procesos. De todas las señales analógicas
disponibles para transmitir información de procesos, el lazo de corriente de 4-20 mA es el
estándar dominante en la industria. Es esta señal de 4-20 mA se aplica a menudo en la
transmisión de valores de presión y temperatura.
En la década de los años cincuenta, cuando la neumática predominaba en la industria y
su control se referenciaba con rangos de 3 a 15 PSI. Cualquier valor fuera de ese margen
era considerado señal de alarma.

4. Las instalaciones utilizaban señales de control neumático donde los controladores
estaban alimentados por presiones variables de aire comprimido. Ultimadamente, la
compresión de aire de 3-15 psi se convirtió en el estándar por las siguientes razones:
• Era muy costoso diseñar sistemas que detectaban señales de presión menos de
3 psi
• Las señales debajo de 3 psi serían irreconocibles.
• Era más fácil de diferenciar una señal de cero vivo (3 psi) de una falla en el Sistema
(0 psi).
La fácil instalación y mantenimiento del cableado eléctrico sedujo a los industriales,
quienes sufrían los problemas de pérdidas de presión en las líneas neumáticas y el gasto
energético que representaba el continuo funcionamiento de aquellos ineficientes
compresores.
En la misma década, a medida que los sistemas electrónicos se hacían menos costosos,
la señal de corriente se convirtió en la señal preferida y más eficiente para el control de
procesos. Más adelante el rango de 4-20 mA se convirtió en el estándar por razones
similares a las del 3-15 psi.
La solución electrónica, con lazos de corriente 4 a 20 mA, ganó terreno rápidamente
gracias a sus grandes ventajas como los son: su mayor precisión, bajo consumo y
potencial algorítmico para controles complejos (PID), además, una señal de corriente
ofrece una mayor resistencia contra efectos electromagnéticos que señales de tensión.
Las perturbaciones electromagnéticas se manifiestan en variaciones de tensión y
provocan pocas variaciones de corriente. Esta solución soportó dos revoluciones más de
la tecnología industrial, convirtiéndose en un estándar que pareciera no tener fecha de
caducidad.

5. Figura 1. Componentes de un lazo de 4-20mA.
Comunicación digital HART.
Los sistemas híbridos HART fueron creado a fines de la década de los
80, este protocolo es un estándar líder en la comunicación con
instrumentación inteligente de campo. Se llamada protocolo hibrido
porque combina comunicación analógica y digital. Este se puede
comunicar una sola variable usando una señal analógica de 4-20mA,
mientras comunica también información agregada sobre señal digital. La
información digital es transportada mediante una modulación de bajo
superpuesta en su lazo de corriente estándar de 4-20mA. La señal
digital no llega a afectar las lecturas analógicas porque se remueve de
la señal analógica mediante técnicas estándar de filtrad
Figura 2. La señal digital de comunicación digital HART super puesta sobre la señal
analógica de 4.20mA

6. El principal atributo de la comunicación digital HART es que la señal digital, el cual usa el
estándar BELL 202 es sobre puesta en la seña análoga, lo cual permite a la señal digital
ser usada por un host para el control de procesos y la señal digital a ser usado por el
mismo o un host diferente para comunica la información relacionada a la configuración de
dispositivo diagnóstico en tiempo no real y monitoreo de los estados, además la
información digital puede viajar en ambos sentidos, es decir, para un instrumento que
tradicionalmente solo recibiría información de señales de control de un host, pero para
este protocolo la válvula podrá enviar información al host acerca de los que esta
sucediendo en la valvula.
Figura 3. HART usa FSK para codificar señales digitales en
la parte superior de la señal análoga

7. El protocolo HART proporciona acceso a la gran variedad de información adicional
(variables, diagnósticos, calibración, etc.) proporcionados por los dispositivos de campo
inteligentes que emplean esta tecnología. HART permite a los fabricantes de instrumentos
de campo incorporar potentes características en sus productos como algoritmos de control
PID, de diagnóstico, y medidas adicionales del proceso.
El HART es una solución para comunicaciones de campo de altas prestaciones. Es
relativamente de fácil mantenimiento y operación especialmente en comuniones de punto
a punto. Esto permite reducir los costos de cableado por medio del sistema multidrop
que enlaza varios disipativos, mediante el sistema multidrop que conecta varios
dispositivos mediante el mismo cable
DESARROLLO.
Sistemas de control analógico.
Los sistemas de control analógico son aquellos en el que las variables a controlar y las
que se procesan en el sistema se presentan de forma continua (analógica), de modo que
las relaciones que aparecen entre las señales de entrada y salida son ecuaciones y
funciones continuas.
El protocolo eléctrico consta de una señal analógica que puede tener características
discretas o continuas, se mide en voltios, milivolts, amperes o miliamperes. Por otra parte,
el protocolo neumático consiste en una señal neumática que emplea aire como salida del
instrumento de medición. La presión estándar está en el rango de 3 a 15psi mientras que
para el protocolo eléctrico es de 4-20mA.
Calibración de transmisor o posicionamiento de vástago de una válvula a 4-20mA.
Si se requiere calibrar, por ejemplo, un transmisor de temperatura a 4.20mA para medir
rango de 50 a 250ºC podríamos representar valores de corriente y temperatura de manera
lineal. Una señal 4 a 20 mA representa alguna señal en una escala de 0 a 100 en
porcentaje. Usualmente, es una escala lineal, como:

8. Figura 4. Gráfico de corriente y temperatura
Siendo una función lineal, se puede usar la ecuación de una recta para proporcional las
señales medidas a sus respectivos valores de corriente:
y = mx + b
Donde:
y = Salida del instrumento
x = Entrada del Instrumento
m = Pendiente de la recta
b = Punto de intercepto respecto a y (por ejemplo, el "live zero" cero del rango del
instrumento)
Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta
ecuación lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto
sera muy útil cuando se busque determinar el valor de señal 4-20mA de salida de
cualquier transmisor, o la posición de vástago de una válvula ente una salida de señal
4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una señal 4-20mA y alguna variable física.
Antes de usar la ecuación para cualquier propósito, se debe determinar los valores de la
pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el instrumento que deseamos aplicar
la ecuación.
Para la ecuación lineal mostrada, se debe determinar el valor de la pendiente (m)
dividiendo el "rise" entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de
apertura (0 -100 %).

9. Figura 5. Grafica de rango en mA y rango de apertura
Para calcular el intercepto (b), se debe resolver la
ecuación en un punto determinado (x- y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir
a 0% se tiene 4 miliamperios y se procede a calcular:
Con la ecuación completa se puede describir la relación entre la señal 4-20mA y una señal
de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuántos miliamperios representan
cualquier porcentaje de señal. Por ejemplo, si se necesita convertir un porcentaje de
34.7% a su correspondiente señal de corriente de 4-20mA, como se representa en la
siguiente imagen:
Figura 6. Diagrama de posicionamiento de una
válvula

10. Entonces se haría algo como esto:
Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en un rango de señal de 4-20mA.
Sistema hibrido HART
Un sistema de control control digital es una unidad digital pequeña que actúa como un
sistema de control. Dependiendo del requerimiento del controlador, el control digital puede
tomar la forma de un computador de escritorio o puede ser tan pequeño como un micro
control. HART es un protocolo híbrido donde la señal digital se superpone a la señal
analógica 4-20 mA.. Es el 4-20mA tradicional que todavía se usa en muchas plantas.
El protocolo HART, desarrollado en base al estándar Bell-202, modula/desmodula usando
FSK (Frequency Shift Keying) y trabaja a 1.200 bps. La señal tiene dos frecuencias: 1.200
Hz representa ‘1’ y 2.200 Hz representa ‘0’. La técnica permite que el maestro se
comunique con el esclavo sin ninguna interrupción en la señal 4-20 mA.
Calibración para un transmisor de presión.
El calibrador que documenta procesos Fluke 754 utiliza el módulo de presión de la serie
750P y tiene la funcionalidad integrada HART que permite recortes inteligentes en los
transmisores. También puede documentar el rendimiento del transmisor antes y después
del ajuste, y calcular los errores correctos/fallidos. Los pasos para realizar la calibración
son los siguientes.
1. Aísle el transmisor del proceso que se medirá y del cableado del lazo. Si mide la
señal de mA en el diodo de prueba del transmisor, deje los cables intactos, pero
tenga en cuenta que este método no es el más preciso para medir los mA.

11. 2. Conecte los conectores de medición de mA del modelo 754 al transmisor.
3. Conecte el cable del módulo de presión al modelo 754 y conecte la manguera de
prueba del transmisor de la bomba de mano al transmisor.
4. Pulse el botón HART en el calibrador para ver la configuración del transmisor.
5. Pulse HART nuevamente y el calibrador ofrecerá la correcta combinación de
medida/fuente para la prueba. Si documenta la calibración, pulse "Como se
encontró", ingrese la prueba de tolerancia y siga las indicaciones. Si la medida de
la señal de mA en los puntos de prueba se encuentra dentro de la tolerancia, la
prueba está completa. En caso contrario, es necesario realizar ajustes.
6. Seleccione, ajuste y recorte la presión cero, la señal de salida de mA y el sensor
de entrada.
Después de seleccionar el ajuste "Como se dejó", documente el estado del
transmisor y, luego del ajuste, si pasa la prueba, entonces el proceso está completo
Figura 7. Diagrama de conexión para calibración de transmisor
CUADRO COMPARATIVO DE SISTEMAS ANALOGICOS Y SISTEMAS
HIBIRDOS HART

12. CARACTERISTICAS VENTAJAS DESVENTAJAS
SISTEMAS
ANALOGICOS
 Las labores son del
tipo neumatica.
 Comunicacion
analogica (4-20mA)
y (3-15 Psi)
 No require de
electricidad
 Es un protocol
limpio
 Las señales se
representan
mediante variables
continuas (valores
continuos).
 Lleva mas años en la industria.
 Son menos sensible al ruido
eléctrico.
 Es económico
 Es la opción más simple y
sencillapara conectar y
configurar.
 Sus diseños son más simples.
 Tiene mayor fidelidad.
 Instantaneidad.
 Es un protocolo limpio.
• Las señales debajo de 3 psi
llegas a ser irreconocibles.
• Requiere constante
mantenimiento.
• Requiere de mucho tubing.
• El lazo de corriente está
limitado a transmitir una
sola señal particular de
proceso.
• Los requisitos de aislamiento
se complican
exponencialmente a medida
que se aumenta el número
de lazos.
SISTEAS
HIBRIDOS
HART
 Las las labores son
del tipo eléctrica,
comunicación
analógica y digital es
un protocolo limpio
requiere Datos
 Empezó en la década
de los 80 por lo que
es un sistema más
nuevo
 La señal digital no
llega a afectar las
lecturas analógicas
porque se remueve
de la señal analógica
mediante técnicas
estándar de filtrado
 Sólo admiten
valores discretos
 Proporciona acceso a la gran
variedad de información
adicional (variables,
diagnósticos, calibración, etc.)
 Fácil mantenimiento y
operación.
 Puede trabajar con cualquier
dispositivo que cumpla con
HART.
 Es preciso y eficiente.
 Tiene una amplia variedad de
productos.
 Implica un ahorro considerable
en materiales eléctricos en las
instalaciones multipunto.
 Las caídas de voltaje y la
cantidad de variables de
proceso que deben ser
monitoreadas pueden afectar
su costo y complejidad.
 Alteración.
 Conversión.
 Ancho de banda.
 Ocupa demasiados cables de
conexiones, conduit y racks.

13. CONCLUSION.
En la presente práctica, se analizaron dos sistemas los cuales aún en la actualidad
siguen utilizando en la industria debido a sus características. Tenemos el protocolo
HART, un protocolo hibrido ya que cuenta con una señal analógica de 4-20 mA y
una señal digital codificada FSK, este protocolo tiene un poco de tiempo en uso
desde ladécada de los 80 y casi la mayoría de las empresas los ocupan porque es
un protocolo fácil de comprender y los instrumentos son menos costosos, pero tiene
ladesventaja de necesitar muchos cables de conexiones, conduits y racks, así
tambiénestos presentan problemas inesperados lo que provoca paros de plantas
inesperados.
En cambio, los sistemas analógicos son más antiguos, cuando la neumática
predominaba dentro de la industria por lo que este tiene mayor fiabilidad que el
sistema híbrido HART. Este sistema es más económico y tiene una fácil instalación,
se considera la opción sencilla para realizar las conexiones y configuraciones
debidas del sistema además que los diseños para este tipo de sistemas son más
simples a comparación de los sistemas híbridos HART que hace uso de muchos
cables de conexión. Una de las grandes desventajas del sistema analógico aparte
del constante mantenimiento que requiere y el uso del tubing, es la carencia de
información sobre la planta, el protocolo HART nos proporciona una gran variedad
de información adicional importante como lo son variables, diagnósticos,
calibración, entre otros; siendo esta una gran desventaja para los sistemas
analógicos.

14. Fuente de información
https://www.predig.com/whitepaper/de-regreso-lo-b%C3%A1sico-los-fundamentos-
de-los-lazos-de-corriente-de-4-20-ma
http://guiaautomatizacionindustrial.blogspot.com/2017/02/senal-de-control-4-20-
ma-y-hart.html
https://www.emerson.com/documents/automation/training-engsch-buses-201-es-
es-41574.pdf
https://www.predig.com/whitepaper/de-regreso-lo-b%C3%A1sico-los-fundamentos-
de-los-lazos-de-corriente-de-4-20-ma