MODEM HART - PRINCIPES DE BASE DE LA TECHNOLOGIE

Un « modem HART » est une interface matérielle de modulation / démodulation du signal utilisée en instrumentation dans le but d'échanger efficacement des données entre un terminal et un instrument de mesures au moyen d'une liaison série et dans le respect du protocole HART ( pour protocole de communication avec un terminal distant accessible par réseau ). Il sert à coder et à décoder les données numériques d'un support de transmission à un autre ( de son port de communication série vers la boucle de courant 4-20 mA à laquelle l'instrument de mesures est raccordé et vice versa ). Les données transmises peuvent être les valeurs numérisées des mesures, des données de service, des données de diagnostic, des données de configuration ou des données de calibration. Elles peuvent aussi représenter des ordres ou/et des paramètres de commande envoyés aux instruments.

Cet équipement peut être embarqué, ce qui est le cas pour bon nombre d'instruments de mesure, de terminaux mobiles et de systèmes d'acquisition. Il peut aussi être installé en externe, car de nombreux logiciels d'instrumentation employés pour la maintenance ou pour la mise en service de capteurs de mesures ( le logiciel Pactware par exemple ) utilisent encore souvent un port de communication série pour communiquer avec le transmetteur d'un instrument ( Hé oui ! Même à l'heure d'Ethernet ! ). Ceci est aussi le cas de beaucoup d'automates programmables connectés à ces instruments de mesure.

Un tel équipement - dont vous pouvez trouver également des références sous l'appellation « transmetteur HART » - peut donc s'avérer très utile à un automaticien pour configurer un capteur de mesures ou pour en établir le diagnostic par le biais d'une connexion locale ou d'une connexion distante.

Le principe de base de la transmissions de données sous le protocole HART consiste à moduler le signal analogique de la mesure dans la boucle de courant 4-20 mA avec le signal des données numériques transmises. Les données peuvent être des variables de configuration, de paramétrage, de calibration, de diagnostic, ou bien des données de service. Il s'ensuit qu'un seul support de transmission est à la fois nécessaire et suffisant pour transmettre les deux signaux.

Les données numériques échangées avec un transmetteur HART sont modulées en fréquence :

• Un bit qui a la valeur 1 est codé par l'émetteur à une fréquence de 1200 Hz.
• Un bit qui a la valeur 0 est codé par l'émetteur à une fréquence de 2400 Hz.

L'amplitude du signal numérique est de 1 milliampère environ ( ± 0,5 mA autour de la composante du signal de mesure analogique ).

Les paramètres de transfert des données sont imposés par la technologie et ils sont spécifiés en standard par le protocole :

• Débit de communication : 1200 bauds.
• Nombre de bits de départ : 1.
• Nombre de bits de données : 8.
• Parité : impaire.
• Nombre de bits de stop : 1.

Un périphérique informatique ( un automate programmable, un ordinateur ou un terminal mobile) qui souhaite dialoguer avec un instrument de mesures selon le protocole HART devra utiliser les services d'un modem dédié - embarqué ou externe - pour pouvoir moduler et démoduler le signal de données.

Du terminal vers le capteur, le modem module en fréquence le signal analogique de mesures transmis sur la boucle de courant en fonction des données numériques reçues sur son interface de communication série.

Du capteur vers le terminal, le modem démodule le signal qui transite sur la boucle de courant et transmet les données numériques au terminal via son port de communication série.

Pour établir une liaison locale entre un ordinateur et un instrument en utilisant une liaison série avec un « modem HART » externe par exemple, il suffit de connecter directement le port du modem sur un port de l'ordinateur.

Les « modems HART » sont disponibles avec une grande variété d'interfaces : port RS 232, port USB, Wireless HART, BlueTooth etc.

Toutefois pour ce qui nous concerne, il existe encore beaucoup d'automates programmables industriels et d'instruments de mesure qui ne communiquent qu'à travers un port série RS232.

Les capteurs de mesure ne sont pas toujours immédiatement accessibles à un automaticien, à un instrumentiste ou bien même à un exploitant. Le technicien qui assure la maintenance de l'instrument peut se trouver à des centaines ou à des milliers de kilomètres du transmetteur, et la possibilité de se connecter à distance peut lui apporter un gain de temps appréciable.

Une solution possible est d'utiliser la technique des ports de communication virtuels.

• Ceci consiste à installer un gestionnaire de port de communication série virtuel client ( par exemple le logiciel eVcom ) sur la machine ( l'ordinateur ) qui exécute le logiciel d'instrumentation.
• Le serveur de port de communication virtuel quant à lui peut être un automate programmable, un routeur ou un commutateur ethernet qui propose cette fonction.

• Le gestionnaire émule tous les signaux matériels et logiciels du port série de la machine utilisé par le programme de configuration et de diagnostic pour se connecter au capteur.
• En utilisant le protocole TELNET, le pilote du port de communication redirige ces signaux sur le réseau Ethernet vers le serveur de port de communication virtuel affecté d'une adresse IP.
• Ce serveur utilisera les information reçues via le réseau Ethernet pour reconstruire les signaux matériels et logiciels de son port série connecté au modem HART, qui modulera les données de la requête en fréquence sur la boucle de courant 4-20 mA du capteur.
• Ensuite, le capteur traite les données de la requête et renvoie au client virtuel la réponse qui transitera par le chemin inverse.

Cette technologie est compatible avec tous les médias qui supportent le protocole Ethernet : réseaux câblés ( cuivre, optique ), réseaux sans fils ( wifi, bluetooth, modem radio ), réseaux mobiles ( GPRS, 3G ) etc.

Pour lire et écrire les données transmises sur la boucle de courant 4-20 mA, le « modem HART » utilise en interne un convertisseur analogique-numérique ( CAN ) qui fonctionne en tension.

Il convient donc de convertir le courant de la boucle 4-20 mA en tension pour la lecture du signal en provenance du transmetteur, et de convertir la tension en courant pour générer le signal à destination du capteur de mesure.

Pour ce faire, les spécifications standards du protocole HART qui concernent le câblage imposent de placer une résistance de charge en série ( de 230 Ω à 1100 Ω ) dans la boucle de courant du capteur de mesure. Cette terminaison permet d'adapter l'impédance de la liaison série dans le but de préserver une amplitude raisonnable du signal.

Il est nécessaire de connaître la résistance de la liaison 4-20 mA ( qui dépend des caractéristiques du câble employé, de sa longueur qui peut dépasser les 1000 mètres, et de la topologie du réseau qui peut être une connexion en monopoint ou en multipoints ) pour pouvoir ajuster la valeur de la résistance de charge du modem.

À noter que dans certains cas particulier, la valeur de la résistance de mesure peut être inférieure à la valeur minimum de 230 Ω indiquée dans les spécifications standard pour conserver une bonne qualité de communication entre le modem et le transmetteur de mesures.

Cet exemple est constitué de deux boucles de courant de 4-20 mA. Chaque boucle de courant est alimentée par une tension continue de 24 volts ( 24 VCC ), qui est une alimentation basse tension courante dans les armoires électriques industrielles en Europe.

Chacune de ces boucles de courant contient :

• Une entrée analogique 4-20 mA ( notée « %IWx » ) d'un automate programmable ( API ).
• Un capteur HART et son transmetteur de courant 4-20 mA.

  ( « Q » = mesure de débit ; « L » = mesure de niveau )

• Une résistance de charge de 250 ohms pour le modem.

Dans l'exemple de la figure :

• Le modem est raccordé sur la boucle de courant de gauche en parallèle de sa résistance de charge de 250 ohms.
• La liaison série RS 232 du modem peut être connectée à un ordinateur personnel, à un contrôleur ou à n'importe quel autre équipement.
• La résistance de charge de la boucle de courant de droite est câblée, mais sans modem connecté.

• Si on ne dispose que d'un seul modem HART pour effectuer la configuration, le paramétrage ou le diagnostic d'un capteur analogique, il suffit de le brancher sur une boucle comme indiqué, de réaliser le travail à faire, puis de le débrancher le modem de la première boucle de courant avant de le rebrancher sur la seconde.

  Une fois le travail terminé, on peut le débrancher des deux boucles, en laissant les résistances de charge en place ( ce qui évite d'avoir à ouvrir la ligne pour les raccorder avant l'utilisation du modem ).

• Si le modem doit être connecté en permanence ( pour une utilisation via un connexion à distance par exemple ), on le laisse en place sur la ou les boucles de courant souhaitées.

Il est à noter que comme pour tout ce qui concerne les mesures analogiques, il faut prêter une grande attention à la qualité de l'alimentation électrique.

Il est préférable, sinon fortement recommandé, d'utiliser une alimentation 24 volts continu très stable et isolée ( l'idéal étant une bonne alimentation à découpage ), en supplément de l'alimentation 24 volts des entrées et des sorties digitales et des autres équipement. Cette alimentation supplémentaire devrait être exclusivement dédiée à l'alimentation des capteurs analogiques et des appareils de mesure.

Contrôle du bon isolement des entrées analogiques 4-20 mA de l'automate programmable.

En effet, pour des raisons économiques et bien que ce ne soit pas logique, certains automates programmables à bas coût proposent des entrées analogiques 4-20 mA qui ne sont pas isolées entre elles, car elles contiennent un point commun interne sur les arrivées ou sur les départs des convertisseurs analogiques numériques ( CAN ).

• La première implication de ce fait est que vous ne pouvez pas insérer deux entrées analogiques non isolées en série dans la même boucle de courant.
• La seconde implication ( qui est liée ) en est que pour utiliser chacune des entrées analogiques 4-20 mA non isolées dans des boucles de courant différentes, vous ne pouvez les insérer n'importe où.

• Si le point commun est au départ des convertisseurs CAN comme dans l'exemple ci-dessus, les deux entrées analogiques doivent être connectées au « 0 volt » ( ou à la borne « - » ).

  Les autres composants sont insérés en série et en amont ( vers la borne « + » de l'alimentation ) dans chaque boucle de courant respectivement.

• Et si le point commun est à l'arrivée des convertisseurs CAN, les deux entrées analogiques doivent être connectées au « + 24 volt » ( ou à la borne « + » ).

  Les autres composants sont insérés en série et en aval ( vers la borne « - » ou au « 0 volt » de l'alimentation ) dans chaque boucle de courant respectivement.

• L'interface électronique du bus HART - Notes techniques

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• Par ailleurs vous pouvez aussi accéder au dossier relatif à la description technique du matériel associé au protocole HART.