Bruno HÉNON - Automaticien Indépendant Services en automatisme industriel, études, programmation, installation, réglages, sous-traitance

Modem HART - Communiquer avec des instruments de mesure.

Modem HART

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Port série virtuel  

MODEM HART - PRINCIPES DE BASE DE LA TECHNOLOGIE

C'est quoi un modem HART ? , Modulation du signal de mesure, Connexion directe, Connexion à distance, Principe de raccordement, Schéma électrique de principe.

Modem HART - Échanges De Données Avec l'Instrumentation

Un "modem HART" est une interface de modulation / démodulation utilisée en instrumentation pour échanger des données entre un terminal et un instrument de mesure dans le respect du protocole HART.


Ce modem peut être embarqué, ce qui est le cas pour bon nombre d'instruments de mesure, de terminaux mobiles et de systèmes d'acquisition.

Le modem HART peut aussi être externe, car de nombreux logiciels d'instrumentation utilisés pour configurer, calibrer ou établir le diagnostic d'un capteur de mesures (le logiciel Pactware par exemple) utilisent encore souvent un port de communication série pour communiquer avec le transmetteur

Ceci est aussi le cas de beaucoup d'automates programmables connectés à ces instruments de mesure.


Un "modem HART" peut donc être très utile à un automaticien pour configurer un appareil ou établir un diagnostic par le biais d'une connexion locale ou d'une connexion distante avec le capteur de mesure.


Cette interface est couramment appelée "modem HART", parce qu'elle effectue la modulation et la démodulation du signal (ce qui est la définition d'un "modem" en fait).

On peut aussi la trouver sous l'appellation "interface HART" ou "transmetteur HART".

Modulation Du Signal HART - Principe De Transmission Des Données

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.

Par conséquent, un seul support pour transmettre les deux signaux est nécessaire et suffisant.


HART - Modulation du signal numérique en fréquence.

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

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 spécifiés en standard par le protocole :


HART - Signal analogique 4-20 mA modulé.

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 HART" embarqué ou externe, pour pouvoir moduler et démoduler le signal de données.

Du terminal vers le capteur, le "modem HART" module en fréquence sur la boucle de courant les données reçues de son interface de communication.

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

Connexion Locale - Liaison Directe À Un Périphérique
Modem HART - Schéma de connexion locale.

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 le port du modem directement 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.

Connexion À Distance Avec Un Port De Communication Virtuel

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.


Modem HART - Schéma de connexion à distance.

Une solution 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 peut être un automate programmable, un routeur ou un switch ethernet qui propose cette fonction.



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.

Schéma De Principe Du Câblage
Modem HART - Schéma de principe du câblage.

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 l'inverse pour générer le signal à destination du capteur de mesure.

Pour ce faire, les spécifications standards du protocole HART pour ce qui concerne 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.

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 HART.


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

Schéma Électrique De Base
Modem HART - Schéma électrique de base avec 2 boucles de courant de 4-20 mA comprenant 1 entrée analogique automate programmable, un transmetteur de mesure en 4-20 mA, une résistance de charge et un modem HART.

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 VDC), qui est une alimentation basse tension courante dans les armoires électriques industrielles en Europe.


Chacune de ces boucles de courant contient :

Dans cet exemple, le modem HART 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 HART 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 HART connecté.



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.


Entrées analogiques 4-20 mA non isolées, avec un point commun sur le 0 volt.

Il faut aussi vérifier si les entrées analogiques 4-20 mA de l'automate programmable sont bien isolées.

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, et contiennent un point commun 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 dans la même boucle de courant, puisque par définition, les différents composants doivent être insérés en série, du point de vue du courant.


La seconde implication (qui est liée) 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.

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