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HART Communication Protocol
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HART or not HART ?

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Relais, Signal 4-20mA, Modbus RTU/TCP, Wireless ou HART … Il s’agit de techniques de communication entre machines et instruments de régulation. Ce sont des termes qui sont très courants en industrie et notamment en détection de gaz fixe.

Dans cet article, nous allons faire le point sur les différents protocoles de communication disponibles lors d’une installation de détecteurs de gaz fixe. Nous allons également faire un focus plus particulier sur un de ces protocoles : le HART.

Contenu

Lors d’une installation de détection de gaz fixe, il existe trois types d’architectures de câblage possibles avec différents modes de transmission de données et ce quel que soit le type de transmetteur industriel (pression, température, humidité, gaz…) :

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Schéma transmetteur seul
Schéma transmetteur seul

Le transmetteur seul :

Alimenté localement, il gère les actions de sécurité et/ou process lorsqu’il est équipé de relais.

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La centrale/contrôleur dédié et câblé vers un transmetteur
Schéma centrale dédiée câblée vers un transmetteur

La centrale/contrôleur dédié et câblé vers un transmetteur :

Dans ce cas, le transmetteur a pour vocation uniquement de transmettre une donnée d’état tandis que les actions de configurations, modifications, ou asservissements se font via la centrale/contrôleur.

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Le transmetteur relié à un Automate Programmable Industriel (API)
Schéma Transmetteur relié à un Automate Programmable Industriel (API)

Le transmetteur relié à un Automate Programmable Industriel (API) :

Il est possible de gérer une multitude d’informations process et/ou sécurité.
Dans ce dernier cas, l’API peut recevoir l’information par différentes sources venant du transmetteur :

  • relais
  • signal 4-20mA
  • Protocole de communication Modbus
  • HART
  • Wireless

Les différents types de protocoles de communication

1. Les relais

Les relais envoient une information binaire tout ou rien suivant leur état (niveau d’alarme, défaut...)

2. La boucle de courant 4-20mA

C’est la technique de communication la plus simple, robuste et ancienne. En utilisant un transmetteur, un récepteur et une source d’alimentation, il est possible de transmettre les données des variables du process. Il s’agit d’une information filaire envoyée en continue et correspond à l’échelle du capteur.

Par exemple : Capteur explo 0-100% LIE signifie que l’information transmise à l’API sera convertie comme suit : 0% LIE = 4mA et 100% LIE = 20mA

La boucle de courant est fiable et hautement immunisée contre les interférences environnementales sur longues distances de communication. Il n’est pas étonnant, donc, qu’elle soit encore largement utilisée. Le principal inconvénient, cependant, est qu’une seule boucle ne permet qu’une communication unidirectionnelle du transmetteur vers API.

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La boucle de courant 4-20mA

3. Le Modbus RTU/TCP

Il est basé sur la notion de maitre/esclave, le transmetteur envoie une trame d’échange de données encodées en 8 bits qui informe l’API de l’état de fonctionnement du transmetteur (normal, alarme, dégradé, défaut…) et/ou sa codification.

4. Le wireless

Le Wireless est la capacité technique du transmetteur d’envoyer des informations d’état sans câble via un protocole basé sur des fréquences de communication qui transmettent les données vers des API qui ont eux-mêmes la capacité de réceptionner ces données Wireless via des routeurs ou autres…

5. Le protocole HART

Le protocole HART™ (Highway Addressable Remote Transducer) a été développé au milieu des années 1980 pour permettre la communication bidirectionnelle d’informations supplémentaires – en plus des variables de process normales – entre appareils de terrain intelligents. Il est basé sur une norme double flux (émission-réception) d’informations numériques via un câble filaire analogique.

A la différence des autres moyens de communication cités précédemment, le flux d’informations est uniquement envoyé à la demande de l’API qui interroge le transmetteur sur son état. Au-delà de l’interrogation à distance par l’API, un opérateur peut se rendre sur site avec une pocket HART pour interroger le transmetteur à tout moment.

Le WirelessHART est une version sans fil de ce protocole.

Qu’est-ce que le protocole HART ?

Le protocole HART utilise la norme FSK (Bell 202 Frequency Shift Keying – modulation par déplacement de fréquence) pour superposer en simultanée des signaux de communication numérique (HART) à un signal analogique 4-20mA issu du transducteur :

  • Le signal 4-20 mA communique la valeur primaire mesurée (la température d’un process, par exemple).
  • Le signal numérique superposé fourni des informations supplémentaires (telles que l’état de l’appareil, les diagnostics, les valeurs supplémentaires mesurées ou calculées, etc.…)

C’est cette superposition qui permet une communication bidirectionnelle et ainsi de pouvoir, via l’API ou une pocket : consulter, modifier et/ou configurer le transmetteur. Pour cela le transmetteur doit donc être équipé d’une interface HART qui permettra de moduler et démoduler les données pour les échanges avec l’API ou la pocket.

La valeur des données est encodée par différentes fréquences pour chaque valeur de bit envoyé, le transfert des données vers l’API se fait via une modulation de fréquence de 1mA superposée au signal analogique 4-20mA ce qui permet d’envoyer, par le même câble, la mesure et les données de transfert. Ensemble, les deux canaux de communication fournissent une solution complète, économique et très robuste, facile à utiliser et à configurer.

Fonctionnement du protocole de communication HART

Le protocole HART est un protocole de communication maître/esclave, c’est-à-dire, lors de l’opération normale, chaque envoi de données de l’esclave (appareil HART) commence par une demande (ou commande) de l’appareil de communication maître (host). Le maître est généralement un automate programmable industriel (API). L’appareil esclave est typiquement un appareil de mesure d’une variable physique, tels qu’un capteur de gaz, pression, niveau, température, ou même un actionneur électromécanique, comme une vanne proportionnelle.

Le protocole HART peut être utilisé de manière point à point ou multipoints :

  • Dans la manière point à point, une boucle de courant unique est établie pour faire communiquer l’appareil HART avec le système de surveillance. La variable primaire circule en utilisant le signal analogique 4-20 mA pendant que les informations supplémentaires circulent numériquement sur la boucle.
  • En mode multipoint, tous les appareils HART sont en parallèle et partagent une seule ligne de transmission. En fonctionnant de cette manière, chaque appareil reste fixe à 4 mA, et le trafic de données ne fonctionne que par le canal numérique. La communication simultanée avec plusieurs appareils n’étant pas possible, chaque appareil a son adresse HART exclusive. Actuellement, le protocole HART v07 permet de connecter jusqu’à 64 appareils en mode multipoint.

Le protocole HART autorise jusqu’à deux maîtres (un primaire et un secondaire), permettant que maîtres secondaires, comme les configurateurs ou les terminaux portables (handhelds) soient utilisés sans produire des interférences à la communication entre les appareils esclaves et le maître primaire, c’est-à-dire le système de régulation/surveillance.

Il y a aussi le mode de communication « burst » facultatif, où un appareil esclave peut transmettre un message de réponse HART standard en permanence. Ce mode de communication facultatif rend possible des taux de mise à jour plus grands et son utilisation est généralement restreinte à la configuration point à point.

Pourquoi choisir la technologie HART ?

Depuis 30 ans, le protocole de communication HART fait partie intégrante du paysage de l’industrie de l’automatisation des procédés dans le monde entier. La plupart des fabricants équipent leur produit d’interface HART (plus de 30 millions d’appareils selon la HART Communication Foundation).
Choisir ce protocole sécurise les investissements et garanti la liberté de choix grâce à l’interopérabilité des équipements.

C’est pourquoi ce type de protocole s’est démocratisé dans de nombreuses entreprises et sites industriels. Il permet :

  1. Une accessibilité aisée aux données d’état du capteur.
  2. La facilité de configuration de transmetteur (à distance ou localement).
  3. Une maintenance proactive qui permet de réduire les coûts d’entretien et ainsi améliorer le process et/ou la sécurité.
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Détecteurs de gaz fixes bénéficiant du protocole HART
Détecteurs de gaz fixes bénéficiant du protocole HART

Détecteurs de gaz fixes bénéficiant du protocole HART :