CAN - HART
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Universidad Don Bosco.
Facultad de Ingeniería.
Departamento de Electrónica
“BUSES DE CAMPO: CAN/HART”
Asignatura:
Redes de Comunicación Industrial Docente:
Ing. Francisco Ramos Alumnos:
Héctor Jaime Peña Linares PL100875 Henry Alberto Orellana OA090041 Max Leonel Turcios Bermúdez TB100173
Soyapango, Sábado 2 de Mayo del 2015
1
ÍNDICE
CONTENIDO ÍNDICE ...................................................................................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................... 2
BUS CAN ................................................................................................................................................................. 3
DEFINICIÓN ........................................................................................................................................................ 3
PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL BUS CAN ................................................................................... 3
FUNCIONAMIENTO DEL BUS CAN ............................................................................................................... 4
MODO DE TRANSMISIÓN ................................................................................................................................ 5
TRAMA DE BUS CAN ........................................................................................................................................ 5
DESCRIPCIÓN DE LA TRAMA ........................................................................................................................ 6
BUS HART ............................................................................................................................................................... 8
DEFINICIÓN ........................................................................................................................................................ 8
PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL BUS CAN ................................................................................... 9
FUNCIONAMIENTO DEL BUS HART ........................................................................................................... 10
TRAMA DE BUS HART .................................................................................................................................... 11
DESCRIPCIÓN DE LA TRAMA ...................................................................................................................... 11
GLOSARIO DE TÉRMINOS ............................................................................................................................... 13
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA ....................................................................................................................... 14
ANEXOS ................................................................................................................................................................. 15
IMPLEMENTACIONES DEL BUS CAN ......................................................................................................... 15
BENEFICIOS AL IMPLEMENTAR UNA RED HART .................................................................................. 16
2
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de un sistema de producción eficiente significa poder establecer mecanismos de
supervisión y control que estén completamente integrados dentro de todo el sistema productivo. Por
tanto, la completa automatización de las fábricas plantea la definición de sistemas de comunicación que
posibiliten la interconexión de equipos industriales.
De forma general, podemos definir un bus de campo como un sistema de transmisión de datos que
permite comunicar dispositivos industriales y elementos de control reemplazando al bucle de corriente
de 4-20mA, reduciendo considerablemente los costos de implementación al rebajar la cantidad de
cableado a instalar y aumentando la rapidez para transportar Información, la facilidad para administrar
los elementos de la red y la flexibilidad para distribuir el control.
Este documento explica las especificaciones de dos protocolos en específico: BUS CAN y el BUS HART,
cubriendo la temática de forma general, abordando su estructura, modos de transmisión, características,
algunas funciones importantes del protocolo necesarias para ayudar a comprender el funcionamiento de
dichas redes industriales.
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BUS CAN
DEFINICIÓN
CAN (acrónimo del inglés Controller Area Network), desarrollado inicialmente para aplicaciones en
los automóviles, es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch
GmbH, basado en una topología bus para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos.
El protocolo de comunicaciones CAN proporciona los siguientes beneficios:
Es un protocolo de comunicaciones normalizado, simplificando y economizando la tarea de
comunicar subsistemas de diferentes fabricantes sobre una red común o bus.
El procesador anfitrión (host) delega la carga de comunicaciones a un periférico inteligente,
disponiendo de mayor tiempo para ejecutar sus propias tareas.
Al ser una red multiplexada, reduce considerablemente el cableado y elimina las conexiones
punto a punto, excepto en los enganches.
Fig. 1 BUS CAN, Controller Area Network
PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL BUS CAN
El BUS CAN está basado en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto que describe una
relación entre un productor y uno o más consumidores, siendo un protocolo orientado a mensajes, es
decir, la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes a los cuales se les asigna
un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión.
Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos deciden aceptar o no
dicho mensaje. Dentro de sus principales características se encuentran:
Prioridad de mensajes
Garantía de tiempos de latencia
Flexibilidad en la configuración.
Recepción por multidifusión (multicast) con sincronización de tiempos.
Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos.
Sistema multimaestro.
Detección y señalización de errores.
De acuerdo al modelo de referencia OSI, la arquitectura de protocolos CAN incluye tres capas:
CAPA FÍSICA:
Define los aspectos del medio físico para la transmisión tales como niveles de señal, representación,
sincronización y tiempos en que los bits se transfieren al bus.
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Fig. 2 Cable utilizado en el BUS CAN
CAPA DE ENLACE DE DATOS:
La capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el
envío de mensajes. Además, debido a que una red CAN brinda soporte para procesamiento en tiempo
real a todos los sistemas que la integran, el intercambio de mensajes que demanda dicho procesamiento
requiere de un sistema de transmisión a frecuencias altas y retrasos mínimos.
Velocidad Tiempo de bit Longitud máxima
1 Mbps 1 µS 30 m
800 Kbps 1.25 µS 50 m
500 Kbps 2 µS 100 m
250 Kbps 4 µS 250 m
125 Kbps 8 µS 500 m
50 Kbps 20 µS 1000 m
20 Kbps 50 µS 2500 m
10 Kbps 100 µS 5000 m TABLA 1: Características de transmisión de datos en BUS CAN
CAPA DE APLICACIÓN:
Existen diferentes estándares que definen la capa de aplicación; algunos son muy específicos y están relacionados con sus campos de aplicación. Entre las capas de aplicación más utilizadas cabe mencionar CAL, CANopen, DeviceNet, SDS (Smart Distributed System), OSEK, CANKingdom.
FUNCIONAMIENTO DEL BUS CAN
Cuando los datos son transmitidos por CAN, se direcciona el contenido del mensaje (rpm, temperatura
del motor, etc.) designado por un identificador que es único en la red. El identificador define, no solo el
contenido, sino también la prioridad del mensaje. Esto es importante a la hora de repartir el acceso al
bus entre varias estaciones que intentan acceder a él.
Si la CPU de un sistema dado desea enviar un mensaje a una o más estaciones, ésta pasa el dato a ser
transmitido y su identificador al chip CAN correspondiente ("Make Ready"). Esto es todo lo que la CPU
tiene que hacer para el intercambio de datos. El mensaje es construido y transmitido por el chip CAN.
Tan pronto como el chip CAN recibe la asignación del bus ("Send Menssage") todas las otras
estaciones de la red CAN se convierten en receptores de este mensaje ("Receive Message"). Cada
estación de la red CAN que ha recibido el mensaje correctamente, lleva a cabo un test de aceptación
para ver si el dato recibido es relevante para esa estación ("Select"). Si los datos son relevantes para
una estación en concreto, éstos son procesados ("Accept"), de lo contrario son ignorados.
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MODO DE TRANSMISIÓN
El BUS CAN utiliza mensajes de estructura predefinida (tramas), para la gestión de la comunicación
distinguiendo dos variantes de CAN: el definido en CAN 2.A o "CAN Standard" y el definido en CAN
2.B o "CAN Extendido".
Los formatos de trama son análogos diferenciándose básicamente en el número de bits que se utiliza
para el identificador de mensaje: 11 bits (2032 identificadores) diferentes en CAN Standard y 29 bits
(536.870.912 identificadores) en CAN Extendido.
Las tramas CAN son de longitud reducida, la trama más larga es de 130 bits en CAN Estándar y 154
bits en CAN Extendido.
TIPOS DE TRAMAS:
Los tipos de trama, y estados de bus, utilizados son:
Trama de datos:
La que un nodo utiliza normalmente para poner información en el bus (siempre es un "broadcast" a todos
los demás nodos). Puede incluir entre 0 y 8 Bytes de información útil.
Trama de interrogación remota:
Puede ser utilizada por un nodo para solicitar la transmisión de una trama de datos con la información
asociada a un identificador dado. El nodo que disponga de la información definida por el identificador la
transmitirá en una trama de datos.
Tramas de error:
Usadas para señalar al resto de nodos la detección de un error, invalidando el mensaje erróneo
normalmente (un caso especial es un nodo en estado de "error pasivo")
Trama de sobrecarga:
Permite que un nodo fuerce a los demás a alargar el tiempo entre transmisión de tramas sucesivas
Espaciado inter-tramas:
Las tramas de datos (y de interrogación remota) se separan entre sí por una secuencia predefinida que
se denomina espaciado inter-trama.
Bus en reposo:
En los intervalos de inactividad se mantiene constantemente el nivel recesivo del bus.
TRAMA DE BUS CAN
Un mensaje CAN consta de un campo de identificador y el campo de datos. El campo de identificador
consiste en 11 o 29 bits (CAN 2.0A y 2.0B respectivamente) y el campo de datos consiste en un máximo
de 8 bytes.
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Cuando un dispositivo transmite un mensaje CAN, transmite primeramente el campo de identificador
seguido del campo de datos. El campo de identificador determina qué nodos tienen acceso al bus
(arbitrio) y cuales reciben el dato. Los nodos individuales pueden ser programados para aceptar
mensajes con identificadores específicos. Una transferencia de datos ocurrirá cuando el identificador del
mensaje transmitido concuerde con el identificador del mensaje configurado para recibir. Los nodos que
no están programados con el mismo identificador que el mensaje CAN transmitido, no recibirán el dato
ya que el bus cuenta con un filtrado de aceptación por máscaras llevado a cabo por el hardware CAN.
Fig. 3 Formato de un marco CAN (Standar Frame CAN SPEC 2.0A)
DESCRIPCIÓN DE LA TRAMA
Los campos indicados en la fig. 3, tienen la funcionalidad siguiente:
INICIO: contiene un bit que indica el inicio de la trama. Este bit siempre tiene que tener carácter
dominante.
IDENTIFICADOR: en la versión estándar está compuesto por 11 bits, y en la extendida por 29.
RTR: este bit (Request of Transmission) permite a un nodo pedir el envío de una trama al nodo que
tiene este número de identificador definido. Esta trama de pedido tiene el mismo identificador de la
trama pedida, solamente se diferencian en que el RTR de la trama de respuesta está puesto a cero.
CAMPO DE CONTROL: permite identificar el tipo de versión que estamos utilizando, si es la estándar
vale cero en caso contrario uno. Los bits indicados como r0 y r1, están reservados para usos futuros.
DLC con cuatro bits nos permite indicar la cantidad de bytes de datos que estamos transmitiendo.
DATOS: en este campo, que puede variar entre 0 y 8 bytes, va contenida la información útil.
CRC: Este campo, Cyclic Redoundance Check, de 15 bits nos permite una verificación fiable de la
consistencia de la trama. Este número es calculado automáticamente por el transmisor y calculado
por el receptor, al momento de recibir el dato que lo compara para verificar si la trama ha sufrido
alguna variación.
ACK: Este bit es transmitido con el valor recesivo, en este caso uno, y deben sobrescribirlos todas
las estaciones que reciben el mensaje, de este modo se tiene información de que el mensaje alcanzó
el medio físico sin problemas. Sin duda esto no significa que el mensaje llegó a la estación que lo
necesita.
EOF: Luego siguen estos 7 bits recesivos para indicar el fin de la trama.
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IFS: Este campo de duración tres bits sirve para espaciar las tramas y garantizar que quien las recibe
tenga tiempo para procesarlas.
REPOSO: Este estado es alcanzado por el bus cuando ninguna estación transmite y tiene valor
recesivo por todo es tiempo que dure.
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BUS HART
DEFINICIÓN
Durante muchos años, las comunicaciones estándar para equipos en la automatización de procesos ha
sido una señal de corriente analógica de miliamperios. Estas señales de corriente varían en un rango de
4-20mA proporcionalmente a la variación del proceso representado.
HART es un acrónimo en inglés para Highway Addressable Remote Transducer y hace uso del
protocolo de Bell 202 Frecuency Shift Keying (FSK) estándar para superponer señales de
comunicación digitales de bajo nivel encima de las señales 4-20mA, como se muestra en las figuras 4 y
5.
Este bus hace una extensión de este estándar de 4-20mA para mejorar las comunicaciones con
instrumentos de campo de medida y control inteligentes. HART conserva la señal de 4-20mA y permite
una comunicación digital bidireccional que no perturba la señal analógica.
Fig. 4 Bosquejo de los niveles de señal en HART
Fig. 5 Señal FSK de HART
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PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL BUS HART
Algunas características del bus HART se enuncian a continuación:
SEÑALES DE COMUNICACIÓN:
Analógicas: continuas 4-20mA Digital: FSK simultánea con la señal analógica. "0" lógico: 2200Hz; "1" lógico 1200Hz
TASA DE COMUNICACIÓN DIGITAL:
Modo pregunta/respuesta: 2-3 actualizaciones por segundo. Modo burst: 3-4 act/s.
ESTRUCTURA DEL BYTE DE DATOS:
1bit de start, 8 bits de datos, 1 bit de paridad impar, 1 bit de stop.
ESTRUCTURA DE COMANDOS:
Comandos universales: comunes a todos los dispositivos. Comandos de práctica común: opcionalmente usados por mucho dispositivos. Comandos específicos de dispositivos: característicos de un producto específico. Comunicación Masters: 2.
INTEGRIDAD DE LOS DATOS:
Chequeo de errores bidimensional. Información de estatus en cada mensaje de respuesta.
VARIABLES:
Hasta 256 por dispositivos Formato en coma flotante IEEE 754 (32 bits) con unidades de ingeniería.
TOPOLOGÍAS DE CABLEADO:
Punto a punto: Analógico y digital simultaneo. Punto a punto: solo digital. Red multidrop: solo digital, máximo 15 dispositivos. Longitud máxima del par trenzado: 3048m. Longitud máxima con par trenzado múltiple: 1024m
SEGURIDAD INTRÍNSECA:
Con barreras/aisladores apropiadas.
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FUNCIONAMIENTO DEL BUS HART
HART es un protocolo master-slave, lo que significa que un dispositivo de campo (esclavo) solo habla
cuando es interrogado por un maestro, proporcionando hasta 2 maestros (primario y secundario).
Fig. 6 Modelo de transmisión de HART
Esto permite a los maestros secundarios como los "handheld comunicators" ser usados sin
interferir con las comunicaciones del maestro principal, tal y como puede verse en sistemas de
control y monitorización.
La comunicación HART mas empleada es un sistema maestro-esclavo de comunicación digital
simultáneamente con la señal 4-20mA, permitiendo que todas las conexiones sean punto a
punto o de recepción múltiple.
En el modo de comunicación "burst" un dispositivo esclavo puede difundir un mensaje HART
repetidamente, hasta 3 veces por segundo. El dispositivo esclavo debe antes haber recibido un
comando especial para hacer esto. Los comandos especiales (#107, #108, #109) se usan para
iniciar y parar este modo de operación. Hay una pequeña parada después de cada ráfaga para
permitir al dispositivo maestro enviar un comando para parar el modo "burst" o iniciar otra
operación individual (después de la cual las transmisiones burst continuaran).
Fig. 7 Comunicación HART con 2 maestros
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TRAMA DE BUS HART
La integridad de las comunicaciones HART es muy segura gracias a que la información de estatus es
incluida con cada mensaje de respuesta, contando con chequeos de error extensos que se llevan a cabo
con cada transmisión. El formato de la trama HART es el siguiente:
Fig. 8 Formato de trama HART
DESCRIPCIÓN DE LA TRAMA
Los campos incluidos en la fig. 8 tienen la siguiente funcionalidad:
PREÁMBULO: el preámbulo consta de 5 a 20 bytes con todos los bits en uno (FF en hexadecimal).
Esto permite que el receptor sincronice la frecuencia de la señal y la cadena de caracteres que recibe,
después de la detección inicial del mensaje HART.
CARÁCTER DE INICIO: el carácter de inicio en HART tiene diversos valores posibles, indicando cual
formato está siendo utilizado, la fuente del mensaje, y si es o no un mensaje tipo ráfaga.
Tipo de mensaje Formato corto Formato largo
Maestro a esclavo 2 82
Esclavo a maestro 6 86
Mensaje BURST 1 81 TABLA 2: Valores de Byte de inicio
DIRECCIÓN: el campo de dirección contiene tanto la dirección del maestro como la del esclavo del
mensaje enviado. Está contenida en un byte, para el formato corto y en 5 bytes para el formato largo.
COMANDO: el campo de comando contiene un entero del 0 al hexadecimal FD o al decimal 253,
como su nombre lo indica representa el comando HART. El comando recibido se incluye en la
respuesta del esclavo al ser enviada.
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CUENTA DE BYTES: este campo contiene un entero, que indica el número de bytes que forman el
resto del mensaje (eso es los campos de estado y de datos, la suma de verificación no se incluye).
DATOS: el campo de datos no puede exceder los 25 bytes. Los datos pueden estar en forma de
enteros sin signo, números de punto flotante o cadenas de caracteres ASCII).
SUMA DE VERIFICACIÓN (CHECKSUM): el byte de suma de verificación contiene el OR exclusivo
(paridad longitudinal) de todos los bytes que le preceden en el mensaje, comenzando con el carácter
de inicio. Esto provee un segundo chequeo para la integridad de la transmisión después del de
paridad por byte. La combinación de estos dos garantiza la detección de hasta tres errores en un
mensaje y tiene buenas probabilidades de detectar errores en más bits.
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GLOSARIO DE TÉRMINOS
ASCII:
American Standard Code for Information Interchange
Comunicaciones HART en modo BURST:
En el modo de comunicación "burst" un dispositivo esclavo puede difundir un mensaje HART
repetidamente, hasta 3 veces por segundo. El dispositivo esclavo debe antes haber recibido un
comando especial para hacer esto.
Modos de transmisión:
Los modos de transmisión definen como se envían los paquetes de datos entre maestros y esclavos
Multidrop:
El término multidrop se aplica a un enlace en un sólo sentido, en el cual un transmisor se comunica con
varios receptores a lo largo del mismo.
RTU:
Unidad Terminal Remota. Define a un dispositivo basado en microprocesadores, el cual permite obtener
señales independientes de los procesos y enviar la información a un sitio remoto donde se procese.
Topologías:
Se utilizan para representar la forma de conexionado y el flujo físico de los datos, como por ejemplo:
punto a punto y punto a multipunto; o también podemos abstraernos al movimiento lógico de la
información, sin importar la forma en que están conectados los elementos físicos que realizan la tarea
de transportarla, como por ejemplo: peer-to-peer.
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BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA
Sitios Web:
Protocolo HART, http://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_HART, consultado el 1 de Mayo de
2015.
Comunicaciones en entornos industriales; autor: Miguel Angel Bacallado Marrero,
http://www.iuma.ulpgc.es/~avega/int_equipos/trab9899/comuindus/index.html, consultado el 2
de Mayo de 2015.
Bus CAN, http://es.wikipedia.org/wiki/Bus_CAN, consultado el 2 de Mayo de 2015.
15
ANEXOS
IMPLEMENTACIONES DEL BUS CAN
Existen dos implementaciones hardware básicas, aunque la comunicación en ambas es idéntica y son compatibles entre sí. Esto permite administrar el uso del bus en función de las necesidades de cada nodo. ·
BASIC CAN:
Hay un vínculo muy fuerte entre el controlador CAN y el microcontrolador asociado. El microcontrolador será interrumpido para tratar con cada uno de los mensajes del CAN. Cada nodo transmitirá tan sólo cuando se produzca un evento en alguna de las señales que le conciernen. Este modo de funcionamiento es adecuado para aquellos nodos encargados de manejar informaciones esporádicas, disminuyendo la ocupación del bus. ·
FULL CAN:
Contiene dispositivos de hardware adicionales que proporcionan un servidor que automáticamente recibe y transmite los mensajes CAN, sin necesidad de interrumpir al microcontrolador asociado, reduciéndose la carga del mismo. Está orientado a nodos encargados del manejo de señales con un alto nivel de exigencia en cuanto a frecuencia de actualización y/o seguridad.
Fig. I Ejemplo de topología usada en BUS CAN
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BENEFICIOS AL IMPLEMENTAR UNA RED HART
Amplia variedad y número creciente de productos proporcionados por una lista creciente de
proveedores de instrumentos de todo el mundo. HART es el único protocolo de comunicaciones
abierto de su tipo y un estándar en la industria. Los usuarios tienen la libertad de elegir el producto
adecuado para su aplicación y la interoperabilidad está asegurada por los comandos comunes y
la estructura de datos.
Relativamente fácil de comprender y usar, 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, diagnósticos, y medidas adicionales del proceso.
Es una solución sin riesgo para comunicaciones de campo de altas prestaciones. Para
mantenimiento y operación, HART es relativamente fácil especialmente en comunicaciones
punto a punto.
HART permite reducir los costos de cableado mediante el sistema multidrop que conecta varios
dispositivos mediante el mismo cable.
Fig. II Implementación de una red HART en la industria