La technologie HART dans l'automatisation industrielle

Introduction

Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) est l'une des technologies de communication les plus influentes dans le domaine de l'automatisation des processus.

Son innovation principale réside dans la combinaison des éléments suivants :

• Transmission analogique traditionnelle 4–20 mA
• Communication numérique
• Diagnostic de l'appareil
• Configuration à distance

sur la même paire de fils.

L'intérêt principal de la technologie HART ne réside pas simplement dans la communication en soi, mais dans la manière dont elle élargit les fonctionnalités des instruments industriels sans pour autant remplacer l'infrastructure analogique existante.

Grâce à la technologie HART, les appareils ont désormais la capacité d'offrir :

• Variables du processus secondaire
• Surveillance de la santé des appareils
• Informations relatives à l'étalonnage
• Données de diagnostic
• Configuration à distance des paramètres

tout en conservant la compatibilité avec les systèmes de commande analogiques traditionnels.

Histoire et évolution de HART

Le protocole HART est né d'un besoin économique visant à associer la communication numérique aux systèmes existants :

4-20 mA

systèmes à boucle de courant.

Ce protocole a été initialement élaboré par :

Emerson Electric Co.

au cours des années 1980.

À cette époque, les installations industrielles disposaient déjà d'un parc considérable d'instruments analogiques. Remplacer l'ensemble du câblage et des systèmes de commande par des réseaux entièrement numériques aurait représenté un coût extrêmement élevé.

Le protocole HART a résolu ce problème en permettant à la communication numérique de coexister avec la transmission analogique sur un même câble.

Par la suite, ce protocole est devenu une norme ouverte, et la propriété a été transférée à :

Groupe FieldComm

en 2015.

Le groupe FieldComm est né de la fusion des sociétés suivantes :

• Fondation HART Communication
• Fondation Fieldbus

Sa mission consiste à promouvoir l'intégration numérique normalisée des appareils industriels de terrain et des systèmes d'automatisation des processus.

Aujourd'hui, HART reste l'un des protocoles de communication les plus répandus dans des secteurs tels que :

• Pétrole et gaz
• Traitement chimique
• Traitement de l'eau
• Production d'électricité
• Alimentation et boissons
• Fabrication de produits pharmaceutiques

Principe technique fondamental du protocole HART

L'innovation fondamentale de HART réside dans :

Communication analogique et numérique simultanée sur le même câble.

Les boucles analogiques traditionnelles ne transmettent qu'une seule variable de processus.

Par exemple :

• Pression
• Débit
• Température
• Niveau

Cependant, le protocole HART superpose une communication numérique au signal de courant analogique.

Comme l'explique Ortmans (1996) :

“ Le protocole HART permet de transmettre des données analogiques et numériques. ”

Le protocole comprend des spécifications concernant :

• Transmission physique
• Structure du message
• Mise en forme des données
• Procédures de transaction
• Commandes de communication

Cette architecture de communication hybride est devenue le fondement de l'instrumentation intelligente moderne.

Technologie de communication HART FSK

Utilisations de HART :

FSK

Technologie de communication par « modulation par déplacement de fréquence » (FSK).

Le signal numérique est superposé au signal existant :

4-20 mA

boucle de courant analogique.

Deux fréquences sont utilisées pour représenter les valeurs binaires :

1 200 Hz = 1

et

2 200 Hz = 0

La vitesse de communication est de :

1 200 bps

Le périphérique esclave peut transmettre des informations au maître, et ce dernier peut également renvoyer des commandes au périphérique.

Ce mode de transmission repose sur la norme de communication téléphonique Bell 202.

L'une des caractéristiques techniques les plus importantes est la suivante :

• La valeur moyenne du signal FSK est égale à zéro

Par conséquent, la communication numérique n'interfère pas avec le signal de courant analogique.

Cela permet :

• Contrôle analogique des procédés
• Diagnostic numérique

pour fonctionner simultanément.

Comment le protocole HART améliore les fonctionnalités des instruments

HART a transformé les instruments de terrain traditionnels en appareils connectés.

Au lieu de transmettre une seule variable de processus, les instruments peuvent désormais fournir :

• Variables secondaires
• Diagnostic de l'appareil
• État du capteur
• Données d'étalonnage
• Informations relatives à l'entretien

Par exemple :

Un transmetteur de pression peut transmettre :

• Valeur de pression primaire
• Température du capteur
• État des composants électroniques
• Alarmes de l'appareil
• Conditions d'étalonnage

via la même boucle de communication.

La communication HART est largement utilisée pour accéder à :

• Variables secondaires
• Diagnostics
• État de l'appareil

Dans certains systèmes industriels :

La valeur principale est lue à la fois par des méthodes analogiques et numériques afin de contrôler l'intégrité du signal analogique et de vérifier les performances de la conversion numérique-analogique.

Cela améliore grandement la situation :

• Fiabilité
• Efficacité de la maintenance
• Sécurité des procédés
• Capacité de maintenance prédictive

Communication multipoint

HART prend en charge :

• Mode point à point
• Mode multidrop

En mode multidrop :

• Plusieurs appareils HART partagent une même ligne de communication
• Chaque appareil possède une adresse unique
• La communication passe principalement au numérique

Cela permet de réduire :

• Complexité du câblage
• Coût d'installation
• Infrastructure de câblage

en particulier dans les grandes installations industrielles.

Système de commande HART

La communication HART repose sur une architecture basée sur des commandes.

L'octet de commande HART contient un nombre entier compris entre :

0∼253

Pour les commandes supérieures à 255, utilisez :

• Structures de commande étendues

à l'aide de la commande :

31 (0x1F)

pour indiquer l'exécution d'une commande étendue.

Les commandes HART sont réparties en cinq catégories :

• Commandes universelles
• Commandes courantes
• Commandes non publiques
• Commandes spécifiques à certains appareils
• Commandes WirelessHART

Commandes universelles

Les commandes universelles sont prises en charge par tous les appareils conformes à la norme HART.

Ces commandes permettent d'accéder aux fonctions standard de l'appareil, telles que :

• Lecture des variables principales
• Lecture des informations relatives à l'appareil
• Accès aux diagnostics
• Identification de l'appareil

Une commande couramment utilisée est :

#0

qui est souvent utilisé au début d'une communication pour déterminer les octets de préambule requis.

Une autre commande importante est la suivante :

#48

qui lit des informations supplémentaires sur l'état du périphérique.

L'architecture de commandement a permis d'uniformiser la communication entre :

• Contrôleurs
• Systèmes de gestion des actifs
• Dispositifs de terrain

provenant de différents fabricants.

Technologies alternatives pour la couche physique HART

Bien que le FSK soit la mise en œuvre la plus courante du protocole HART, il existe également d'autres couches physiques.

RS-485 HART

Le protocole HART peut fonctionner avec :

RS-485

au lieu des boucles de courant analogiques.

Cela met fin à la transmission analogique, mais permet d'atteindre des débits de communication plus élevés :

19,2∼38,4 kbps

ce qui le rend comparable à des protocoles entièrement numériques tels que :

• Foundation Fieldbus
• PROFIBUS PA

C8PSK HART

Une autre possibilité est la suivante :

$C8P.S.K$

(Modulation par déphasage cohérente à 8 voies)

ce qui permet d'atteindre des vitesses allant jusqu'à :

9,6 kbps

soit environ :

10 transactions par seconde

Si la qualité de la communication se détériore, les appareils peuvent basculer automatiquement vers la communication FSK standard.

Problèmes industriels résolus par HART

Le protocole HART a permis de résoudre plusieurs problèmes majeurs liés à l'automatisation industrielle.

Préservation des infrastructures existantes

Les installations industrielles pourraient passer à l'instrumentation numérique sans avoir à remplacer :

• Câbles existants
• Cartes analogiques pour automates programmables
• Systèmes de commande analogiques
• Instruments installés

Cela a permis de réduire considérablement les coûts de modernisation.

Intégration de fonctions de diagnostic aux systèmes analogiques

Les systèmes traditionnels de 4 à 20 mA n'offraient pratiquement aucun outil de diagnostic.

Compatible HART :

• Surveillance de la santé des appareils
• Diagnostic à distance
• Gestion de l'étalonnage
• Maintenance prédictive

sans modifier les architectures de contrôle analogique des processus.

Amélioration de la gestion des actifs

Le protocole HART permet la surveillance centralisée des éléments suivants :

• État de l'instrument
• Dérive du capteur
• État de l'étalonnage
• Historique d'entretien

Cela a permis d'améliorer la fiabilité opérationnelle et de réduire les temps d'arrêt.

HART dans l'Industrie 4.0

La technologie HART moderne continue d'évoluer parallèlement aux systèmes de l'Industrie 4.0.

Aujourd'hui, les instruments compatibles HART peuvent s'intégrer aux :

• Passerelles Ethernet
• Systèmes de gestion des actifs
• Réseaux WirelessHART
• Plateformes de surveillance du cloud
• Architectures IIoT
• Systèmes de maintenance prédictive

Les appareils HART modernes prennent désormais en charge :

• Diagnostic à distance
• Contrôle en temps réel
• Jumeaux numériques
• Analyse prédictive

tout en conservant la compatibilité avec les méthodes traditionnelles :

4-20 mA

infrastructure.

Cette compatibilité ascendante reste l'un des principaux atouts industriels du protocole HART.

Tendances futures du développement de HART

Les futurs développements du protocole HART devraient se concentrer sur :

• Une communication numérique plus rapide
• Connectivité sans fil
• Renforcement de la cybersécurité
• Intégration dans le nuage
• Diagnostics avancés
• Intégration avec Ethernet-APL et OPC UA

Bien que les communications industrielles basées sur Ethernet connaissent une expansion rapide, le protocole HART devrait conserver toute son importance, car les installations industrielles continuent d'exploiter un parc considérable d'appareils de mesure analogiques.

Loin de disparaître, HART joue de plus en plus le rôle de passerelle entre :

• Instrumentation traditionnelle
• Architectures industrielles numériques modernes

Conclusion

Le protocole HART a profondément transformé l'instrumentation industrielle en permettant :

• Communication analogique et numérique sur un même câble
• Diagnostics intelligents sur boucles analogiques
• Configuration et étalonnage à distance
• Amélioration de la gestion des actifs
• Une modernisation numérique rentable

Son architecture de communication hybride a permis aux industries de moderniser leurs systèmes analogiques existants sans avoir à se séparer de leurs infrastructures en place.

Même à l'ère de l'Industrie 4.0, le protocole HART continue de jouer un rôle essentiel dans l'interconnexion des instruments de terrain traditionnels et des systèmes d'automatisation numériques modernes.