Introduction à Hart - Protocole de communication de transducteur distant adressable sur autoroute

Les avantages de la communication entre deux machines (ou leurs composants) ont été évidents pour les experts en automatisation industrielle et en contrôle, bien avant que l'Internet des objets (IoT) ne devienne courant. Les valeurs d'un capteur de température au cœur d'un vilebrequin envoyant des mesures pour contrôler le relais d'entraînement du moteur, etc. étaient claires, et l'un des protocoles de communication utilisés pour y parvenir était le protocole HART.

Avec plus de 30 millions d'appareils basés dessus, installés dans le monde entier, le protocole HART est considéré comme le protocole le plus populaire de l'automatisation industrielle et l'article d'aujourd'hui donnera un aperçu de ce qui le rend si spécial. Nous examinerons ses fonctionnalités, ses applications et ses versions mises à niveau comme le WirelessHART.

Aperçu

Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) est l'un des protocoles de communication ouverts les plus populaires utilisés dans l'automatisation industrielle pour envoyer et recevoir des informations numériques via un câblage analogique entre des appareils intelligents et des systèmes de contrôle. Ce protocole est une avancée du protocole de communication série comme RS485 et événement auquel est également couramment utilisé dans les industries.

Il a été développé par Emerson dans les années 1980 en tant que protocole de communication propriétaire pour remédier aux défauts du protocole de communication 4-20 mA existant , qui ne pouvait transmettre qu'un paramètre ou une valeur mesurée. Avec HART, les efforts d'automatisation industrielle pourraient réaliser des communications bidirectionnelles qui corrigeaient les inconvénients du 4-20 mA, mais également conserver son infrastructure puisque le protocole HART peut envoyer des signaux numériques en le superposant aux signaux analogiques sans distorsion ni interférence.

L'effet de ce qui précède est la création de deux canaux de communication simultanés: le signal analogique 4-20 mA et un signal numérique. Cette combinaison est la raison pour laquelle le protocole est appelé protocole hybride. Les applications typiques telles que les appareils d'instrumentation peuvent utiliser le signal 4-20 mA pour envoyer la valeur mesurée principale et utiliser le signal numérique superposé pour envoyer des informations.

La prise en charge des appareils basés sur 4-20 mA permettait aux entreprises de continuer à utiliser leur ancien matériel. Ceci, avec le protocole devenu «ouvert», a conduit les niveaux d'adoption du protocole à un niveau élevé, jusqu'à ce qu'il devienne la norme de facto dans l'industrie

Fonctionnement du protocole de communication HART

La communication HART se produit entre deux appareils compatibles HART, généralement un appareil de terrain intelligent et un système de contrôle ou de surveillance. Comme décrit précédemment, les appareils basés sur le protocole transmettent un signal analogique en utilisant l'approche 4-20 mA existante et des signaux numériques en superposant le signal (en tant que signal de courant alternatif) au signal analogique 4-20 mA, en utilisant la modulation par décalage de fréquence Bell 202 (FSK).

La procédure FSK consiste à superposer les ondes sinusoïdales de deux fréquences, typiquement 1200 Hz et 2200 Hz, qui représentent les bits (1 et 0 respectivement) des données envoyées. L'utilisation de FSK garantit que la valeur moyenne des deux fréquences est toujours nulle, garantissant que le signal analogique n'est pas affecté par le signal numérique.

Modes de configuration réseau

Pour répondre aux besoins de diverses applications, les appareils sous protocole HART peuvent être configurés pour fonctionner dans deux modes principaux;

1. Mode point à point
2. Mode Multi-Drop

1. Mode réseau point à point

En mode point à point, les signaux numériques sont superposés au courant de boucle 4–20 mA de telle sorte que le courant 4–20 mA et le signal numérique peuvent être utilisés pour transmettre des messages entre le maître et l'esclave. Cela représente l'application typique du protocole, avec des variables et des données secondaires, qui peuvent être utilisées à des fins de surveillance, de maintenance et de diagnostic, échangées sur les signaux numériques tandis que les signaux de commande sont envoyés sur la moitié analogique du protocole. Une illustration de la configuration du réseau point à point est fournie dans l'image ci-dessous.

2. Mode réseau multipoint

Le mode de configuration réseau Multi-Drop permet à plusieurs appareils d'être connectés sur la même paire de fils d'une manière similaire aux protocoles basés sur les adresses comme i2c. La communication en mode multipoint est entièrement numérique car la communication via le courant de boucle analogique est désactivée car le courant traversant chacun des appareils est fixé à une valeur minimale juste suffisante pour le fonctionnement de l'appareil (généralement 4 mA). Les configurations de réseau multipoints sont généralement utilisées dans les applications de contrôle de supervision qui sont largement espacées, comme dans les parcs de réservoirs et les pipelines. La configuration du réseau Multi-Drop est illustrée dans l'image ci-dessous.

Modes de communication

En règle générale, pour les communications selon le protocole HART, un appareil du réseau, généralement un système de commande distribué ou un API, doit être désigné comme maître, tandis que d'autres, généralement des appareils de terrain comme des capteurs ou des actionneurs, sont désignés comme esclaves.

Cependant, la manière dont les esclaves communiquent avec le maître dépend du mode de communication sur lequel le réseau est configuré. Un réseau d'appareils conformes au protocole HART peut être mis en place pour communiquer selon deux modes, à savoir;

1. Mode de communication demande-réponse
2. Mode rafale

1. Mode de communication demande-réponse

En mode de communication demande-réponse, les équipements esclaves ne transmettent des informations que lorsqu'une requête est émise par l'équipement maître. Bien que ce mode ait ses inconvénients en particulier la vitesse de communication réduite (2-3 mises à jour des données par seconde), il permet de garder le protocole simple, efficace, facile à mettre en œuvre.

2. Mode rafale

Pour faire place à la variation des exigences de l'application, le protocole a un autre mode de communication appelé le mode «rafale». Dans ce mode, les équipements esclaves peuvent envoyer une seule information, en continu, sans avoir besoin de demandes répétées du maître. Ce mode offre une vitesse de communication plus rapide avec jusqu'à 3-4 mises à jour par seconde, et il est généralement utilisé dans les scénarios où plusieurs appareils HART sont nécessaires pour écouter la communication de la boucle HART.

Pour permettre la surveillance externe, souhaitée pour la plupart des applications industrielles, les deux modes de communication prennent en charge jusqu'à deux maîtres définis comme primaire et secondaire. Le maître principal, comme illustré dans l'image ci-dessus, est généralement le système de contrôle / surveillance principal tandis que le maître secondaire est généralement un appareil comme les terminaux portables aka HART Communicator, qui n'est connecté à la boucle HART que pendant une courte période.

Avantages

Certains des avantages du protocole HART par rapport aux autres de sa catégorie comprennent:

1. Communication bidirectionnelle

L'utilisation d'un signal analogique 4-20mA, par exemple, permet le flux d'informations dans un seul sens (émetteur vers le récepteur). Avec la communication HART, les données peuvent voyager dans les deux sens.

2. Nouveaux types d'informations

Les canaux de communication traditionnels comme le 4-20 mA permettent la communication d'une seule variable de processus sans place pour la validation, mais avec HART, vous pouvez obtenir jusqu'à 40 informations supplémentaires avec la variable de processus.

Quelques exemples d'informations supplémentaires qui pourraient être glanées à partir d'appareils HART comprennent:

1. État de l'appareil et alertes de diagnostic
2. Variables et unités de processus
3. Courant de boucle et plage de%
4. Paramètres de configuration de base
5. Marque du fabricant et de l'appareil

En utilisant une combinaison de ces informations supplémentaires, les appareils HART peuvent auto-signaler les problèmes de configuration ou de fonctionnement au périphérique maître / hôte. Cela permet de réduire le besoin de contrôles de routine et pourrait être très utile pour la maintenance prédictive.

3. Appareils multivariables

En mode numérique, une seule paire de fils peut gérer plusieurs variables. Par exemple, un émetteur peut gérer les entrées de plusieurs capteurs

4. Indépendance des fournisseurs

Tout ce qui concerne HART a été confié par Emerson à la HART Communications Foundation, en tant que tel, les normes sont ouvertes et ne sont pas spécifiques à un fournisseur. Cela signifie qu'il n'y a aucun risque de se retrouver enfermé dans des «normes» régionales ou spécifiques au fournisseur.

5. Ampleur de l'offre

HART est actuellement considéré comme le protocole le plus largement pris en charge par l'industrie des procédés à travers le monde. Il est si populaire que la probabilité qu'un appareil industriel soit compatible HART est presque de 1.

6. Interopérabilité

Les appareils et les systèmes hôtes compatibles HART peuvent fonctionner ensemble quels que soient les fournisseurs, les modèles et autres problèmes de compatibilité / interopérabilité qui affectent les réseaux. Même les appareils hôtes qui n'ont pas été conçus pour gérer les informations numériques d'un appareil HART auront toujours un certain niveau d'interopérabilité avec les communications via le signal analogique 4-20 mA.

WirelessHART

Le protocole HART a évolué au fil des ans avec les progrès technologiques et la sophistication accrue des cas d'utilisation. L'un des produits récents de son évolution est une nouvelle technologie appelée WirelessHART, qui offre des possibilités complètement nouvelles avec la transmission sans fil d'informations HART.

Il s'agit du premier protocole de communication sans fil normalisé (IEC62591) dans le domaine de l'automatisation des processus. Contrairement au protocole normal HART, il ne prend à ce stade en charge que la communication via le signal numérique car la communication analogique n'est pas fournie car aucun câble de connexion n'est utilisé.

Actuellement, il existe deux solutions WirelessHART différentes, notamment:

1. Un adaptateur WirelessHART pour améliorer les appareils HART existants
2. Un émetteur WirelessHART auto-alimenté.

WirelessHART peut être utilisé sur des instruments filaires existants pour collecter la grande quantité d'informations qui étaient auparavant bloquées dans l'instrument, et fournit également un moyen économique, simple et fiable de déployer de nouveaux points de mesure et de contrôle sans les coûts de câblage.