Connexion des systèmes de contrôle : interfaces de communication fiables pour capteurs de position et mouvement

Les interfaces de communication fournissent le lien crucial entre les capteurs (les « nerfs » d'un système de contrôle) et les contrôleurs (le « cerveau »). Une variété impressionnante de technologies de communication a été introduite pour fournir ce lien, généralement avec des caractéristiques et capacités adaptées à un certain type de système de contrôle. Examinons quelques technologies de communication largement utilisées pour le contrôle de mouvement.

Solutions spéciales pour cas spéciaux

Pour certains capteurs qui fournissent un retour pour le contrôle de mouvement, la technologie de mesure dictera l'interface de communication. Les codeurs incrémentaux délivrent un flux continu d'impulsions de signal — une pour chaque fois que l'arbre du codeur tourne d'un certain montant. Ils excellent dans le contrôle de vitesse, car le contrôleur peut déterminer avec précision le taux de rotation à partir de l'intervalle entre les impulsions.

De nombreux codeurs incrémentaux transmettent deux signaux de sortie, appelés A et B, avec une différence de phase de 90°, permettant au contrôleur de déterminer le sens de rotation. Certains sortent aussi un signal Z une fois par rotation à un angle de rotation défini. Cela fournit un point de référence précis.

La connexion entre un codeur incrémental et son contrôleur doit être point-à-point, avec un câble dédié connectant chaque codeur à son contrôleur. La communication est généralement basée sur un signal différentiel transmis sur câblage à paires torsadées, le nombre de paires de conducteurs dans le câble dépendant du nombre de signaux (A, B et Z).

Les drivers de sortie dans les codeurs doivent être compatibles avec l'interface sur le contrôleur — les drivers de sortie Push-Pull (HTL) ou RS-422 (TTL) sont couramment utilisés. Ces standards spécifient la tension du signal.

Capteurs de position absolue

Le reste de cet article se concentrera sur les capteurs de position absolue tels que les codeurs et inclinomètres. Ces dispositifs rapportent une position mesurée à un instant précis, soit comme un niveau de tension/courant (codeurs analogiques) ou en transmettant un mot numérique ou « télégramme » (codeurs numériques). Ces dispositifs sont idéaux pour les applications de contrôle de position.

Les capteurs analogiques ont une longue histoire, avec les premiers systèmes de contrôle utilisant des potentiomètres (résistances variables). Plus récemment, des capteurs numériques avec convertisseurs D/A intégrés ont été introduits. Ceux-ci sont disponibles avec soit une sortie tension (ex: 0-5 V) ou courant (ex: 0-20 mA). Ils comportent des convertisseurs D/A programmables pour qu'une plage prédéterminée de mouvement mécanique (n'importe quoi d'une fraction de tour à plusieurs révolutions) puisse être définie pour couvrir la plage de sortie électrique complète du système (ex: 0-5 V, 0-20 mA). Cela améliore la précision et la résolution sur la plage de mouvement la plus significative. Les capteurs analogiques nécessitent des connexions point-à-point, souvent avec du fil de gros calibre pour limiter la résistance électrique.

Les codeurs absolus avec interfaces bit-parallèle rapportent les mesures comme un mot numérique, avec un conducteur séparé pour chaque bit. La réponse est virtuellement instantanée. La connexion est point-à-point, généralement par un câble de type nappe. Comme ce type de câble est relativement volumineux et inflexible, les systèmes bit-parallèle fonctionnent mieux sur de courtes distances.

Câblage numérique point-à-point

Avec le câblage point-à-point, un câble dédié va du contrôleur à chaque capteur individuel. Les interfaces SSI (Serial Synchronous Interface) et BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) pour codeurs absolus utilisent des systèmes de câblage point-à-point. Ce sont des interfaces numériques qui peuvent se connecter directement aux PLCs ou autres contrôleurs. Les connexions SSI offrent une bonne vitesse (taux d'horloge jusqu'à 2 MHz), haute résolution, câblage flexible, et communication fiable jusqu'à quelques centaines de mètres (bien que les débits en bauds soient réduits pour les distances plus longues). Les protocoles SSI fournissent une détection d'erreur de base (fil cassé, court-circuit, cohérence des données).

BiSS est une version avancée de SSI qui supporte les communications temps réel entre dispositifs de contrôle et capteurs/actionneurs dans les servomoteurs, robots et autres systèmes d'automatisation. L'interface permet aussi au contrôleur de définir des paramètres opérationnels dans les dispositifs esclaves. Il y a plusieurs variantes BiSS incluant BiSS C (communications continues) et BiSS Line (conçu pour configurations combinant alimentation et transmission de données dans un seul câble). Les standards d'interface SSI et BiSS open-source sont non-propriétaires, avec licences sans coût.

Les communications SSI et BiSS utilisent des connexions point-à-point — typiquement RS-422. Plusieurs dispositifs peuvent être mis en chaîne (daisy-chained) pour des agencements de câbles plus efficaces.

Fieldbus : systèmes de câblage à accès partagé

Le câblage point-à-point fonctionne bien pour les systèmes avec de courtes distances et un nombre limité de dispositifs, mais à mesure que le nombre de capteurs augmente, les agencements de câblage peuvent devenir ingérables. À mesure que les systèmes automatisés devenaient plus sophistiqués et que le nombre de dispositifs connectés grandissait, plusieurs fabricants ont introduit des systèmes fieldbus. Ces réseaux en vedette sont basés sur une topologie de bus, avec plusieurs dispositifs partageant un backbone de câblage commun. Les systèmes fieldbus sont fiables, rapides, et relativement rentables. Les applications vont des convoyeurs et installations de fabrication aux équipements mobiles, équipements médicaux, éoliennes et panneaux solaires.

Avoir plusieurs dispositifs partageant un canal de communication commun peut causer des problèmes avec les temps de réponse — quand le trafic sur le bus est intense, les capteurs individuels peuvent avoir leurs messages retardés d'une quantité de temps imprévisible. Pour contourner cela, la plupart des designs fieldbus permettent à l'opérateur de classer les dispositifs par ordre d'importance. Cela aide à assurer que les messages critiques obtiennent un traitement prioritaire. La couche physique des systèmes fieldbus est généralement basée sur des câbles à paires torsadées (ex: EIA-485).

Les standards fieldbus populaires incluent Controller Area Network (CAN) de Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) de Siemens, et DeviceNet d'Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, largement utilisé en Amérique du Nord, combine la couche physique CAN avec les protocoles de niveau supérieur CIP (Common Industrial Protocol). SAE J1939, qui utilise les standards de transport de données CAN, est optimisé pour les véhicules lourds.

Les réseaux consistent en éléments physiques (fils, connecteurs, et composants électroniques qui contrôlent le flux de signal) et éléments logiques (schémas d'adressage, protocoles de communication, profils de dispositif, etc. qui sont implémentés en logiciel). Dans le monde du fieldbus, de nombreux systèmes utilisent les standards CAN pour définir les aspects physiques des réseaux, tandis que les protocoles de niveau supérieur — tels que CANopen, DeviceNet, J1939, etc. — fournissent la fonctionnalité de bout en bout.

Ethernet industriel

L'Ethernet industriel utilise les mêmes fondations techniques que l'Ethernet de bureau mais avec des améliorations qui le rendent mieux adapté aux conditions d'usine difficiles. Les unités de commutation de grade industriel peuvent comporter des boîtiers robustes étanches à l'eau et à la poussière, tandis que de nombreux dispositifs utilisent des connecteurs M12 robustes à la place de connecteurs RJ45 plus vulnérables.

Il y a aussi d'importantes mises à niveau des protocoles de communication. Les applications industrielles — surtout le contrôle de mouvement — exigent souvent que les contrôles opèrent en temps réel, sans aucun des délais de transmission imprévisibles (latence ou gigue) qui peuvent se produire dans les réseaux Ethernet ordinaires. Les systèmes Ethernet industriels tels que Profinet IRT, EtherNet/IP, et Ethernet Powerlink adressent cela par des piles de protocoles modifiées et du matériel spécial qui donnent aux messages critiques un accès prioritaire à la bande passante du réseau. Les composants spéciaux nécessaires pour atteindre cela peuvent ajouter à la complexité et au coût du système.

Il faut noter que bien que l'Ethernet offre une vision d'un nombre illimité de dispositifs et d'options de topologie flexibles, les problèmes de performance du système — surtout pour les applications de contrôle de mouvement en temps réel — peuvent exiger des compromis de conception qui réduisent le trafic local et fournissent des chemins de communication directs pour les composants critiques.

IO-Link est un système de communication à faible coût, facile à implémenter, conçu pour simplifier les connexions entre les réseaux fieldbus ou Ethernet industriel et les capteurs ou actionneurs simples situés sur le plancher d'usine. D'un côté d'un dispositif passerelle maître IO-Link se trouve une interface vers le réseau d'usine, tandis que l'autre côté a des connexions point-à-point multiples vers des dispositifs capteurs individuels.

L'interface IO-Link pour les dispositifs finaux est relativement simple, éliminant le besoin de supporter des protocoles de communication complexes au niveau capteur/actionneur. IO-Link supporte une variété de types de données incluant les données de mesure, instructions de configuration de dispositif, et informations sur les paramètres de condition de fonctionnement tels que la température.

Communications sans fil

Les technologies sans fil permettent les communications avec les machines mobiles (ex: véhicules guidés autonomes) ou l'équipement qui doit être déplacé fréquemment. Wi-Fi (IEEE 802.11) et Bluetooth sont des standards largement utilisés pour les communications sans fil à courte portée. D'autres standards sont disponibles pour les communications à plus longue portée, bien que ceux-ci puissent avoir des débits binaires plus bas. Les réseaux 5G émergents promettent des débits de données élevés et une faible latence.

Les communications sans fil peuvent être moins fiables que les connexions filaires dans les environnements électriquement bruyants et peuvent ne pas convenir pour les signaux de retour hautement dépendants du temps. Dans le cas d'un robot d'entrepôt, par exemple, un signal sans fil peut être utilisé pour instruire la machine de récupérer du matériel à un emplacement particulier. Cependant, les capteurs pour la direction, le contrôle de vitesse et l'évitement de collision seraient généralement câblés au système de contrôle pour assurer une réponse fiable et instantanée.

Standards ouverts pour la compatibilité

Aucun fournisseur unique ne peut fournir de l'équipement best-in-class pour chaque partie d'un système d'automatisation complexe et les fournisseurs de technologies de réseautage industriel sont passés de systèmes de réseautage propriétaires vers le support d'interfaces et standards de réseautage ouverts (neutres vis-à-vis des fournisseurs). Avec ces standards, les acheteurs d'équipement de contrôle de mouvement peuvent mixer et matcher des composants certifiés standards de différents fournisseurs avec l'attente que tout fonctionnera ensemble.

Les organisations de standards industriels importantes incluent l'Open Device Vendors Association, sponsors des standards DeviceNet et Ethernet/IP ; la CAN in Automation Association, sponsors des protocoles CANopen ; et Profibus Nutzerorganisation, sponsors des interfaces Profibus et Profinet.

Cet article a été rédigé par Christian Fell, General Manager chez FRABA Inc., Hamilton, NJ. Pour plus d'informations, visitez le site web.