BUS D'INSTRUMENTATION ET RÉSEAUX DE MESURES

Les bus d'instrumentation sont des réseaux de communication industriels spécialisés qui permettent à des équipements d'automatisme de dialoguer avec des instruments, des appareils et des systèmes dédiés à la mesure. Il peut s'agir de transmetteurs de mesure, de transmetteurs de commande analogique ou bien d'applications logicielles chargées du réglage, de la calibration et du diagnostic des instruments.

Tous ces réseaux d'instruments de mesures sont utilisés pour communiquer avec les transmetteurs des capteurs et des actionneurs qui effectuent généralement la lecture et l'écriture des données courantes. Ils sont aussi beaucoup employés pour configurer, régler et calibrer des instruments et des interfaces. Une autre de leur utilisation potentielle est l'échange de données avec les équipements pour faciliter et enrichir les opérations de maintenance et de contrôle des capteurs et des actionneurs.

Ce réseau de communication full-duplex économique utilise une architecture maître-esclave qui a été expressément conçue pour opérer des échanges de données avec des systèmes de mesures industriels. « DIN-MEßBUS » est aussi orthographié « DIN-MESSBUS ». On en trouve aussi de nombreuses références sous l'appellation de « Measurement bus ».

Une de ses particularités est que dès que la scrutation du réseau a été amorcée, un nœud esclave peut être déconnecté et connecté à nouveau, un transfert éventuellement interrompu sera ré-initialisé et se poursuivra sans perte de données. Les principales caractéristiques de cette interface de communication sont sa simplicité, sa robustesse et sa topologie libre et ouverte, auxquels s'ajoute la simplicité de son support de transmission qui est le standard RS 485, ô combien populaire. La structure des messages permet de transmettre des valeurs de mesure, des valeurs de configuration et des données de diagnostic.

Grâce à sa souplesse et à sa simplicité, ce système est aussi utilisé pour transporter des données dédiées à la gestion de la qualité, au contrôle de procédé ou au contrôle de fabrication en général.

• Caractéristiques du bus « DIN messbus ».
• Le Bus de Mesures « Din Messbus » : Une application simple de la technologie des bus de terrain.

www.measurement-bus.de

Le standard « IEEE-488 » porte sur une interface de communication qui a été développée pour pouvoir communiquer avec des instruments dits intelligents ( « smart » ) - autrement dit : programmables - dans le but de fournir une procédure normalisée permettant d'échanger des données entre des équipements provenant de différents fournisseurs. Le support de transmission de ce bus est un câble de 24 paires de fils torsadés câblés en parallèle, dont 8 paires sont utilisées pour transmettre les données et les messages de commande ( pour une longueur de données de 7 à 8 bits ), 5 fils sont utilisés pour gérer le bus, et 3 fils sont utilisés pour synchroniser les échanges.

La compagnie Hewlett Packard prit l'initiative de développer cette interface si polyvalente et l'appela « HP-IB » ( Bus d'Instrumentation Hewlett Packard ). Puis « HPIB » s'est répandu et est devenu très populaire, de sorte que la commission « IEEE 488 » l'a renommé « GPIB » ( Bus d'instrumentation à usage courant ). Ultérieurement, la norme a évolué vers la version « IEEE 488.2 », en prenant en compte l'intégration de l'interface SCPI ( interface de commande normalisée pour les interfaces d'instruments programmables ), avec l'objectif d'éviter les adaptations particulières effectuées par les fabricants d'équipement. Cette évolution s'est matérialisée dans l'interface de programmation « GP-IB » qui s'avère assez universelle.

Cette page bien écrite et bien illustrée résume ce que vous souhaitez connaître rapidement sur cette version : son histoire, sa pertinence, son modèle de communication, comment le bus fonctionne, comment les données sont transmises. Le tout accompagné d'informations sur l'adressage, la structure de message, les connecteurs et encore plein d'autres choses.

www.hp9845.net

Ce document nous introduit à la programmation d'échanges de données dans le respect du standard. Il en présente les grands principes de communication ( les commandes, les requêtes, les données et les événements ), les règles de programmation, l'état des instruments en en décomposant les informations contenues dans les registres, le mécanisme de déclenchement, la liste complète de tous les codes d'erreur etc.

Il aborde notamment les règles de construction des commandes et des requêtes ainsi que les techniques de synchronisation implémentées avant de lister les commandes communément utilisées par tous les instruments et avant de décrire les sous-systèmes standards.

Groupe d'électronique de la faculté des sciences -

Université libre d'Amsterdam - Pays-Bas.

Ce document pédagogique présente le système standard dans son ensemble. Il insiste plus particulièrement sur le rôle tenu par chacune des connexions de son interface matérielle. Il décrit aussi l'interface SCPI qui a été intégrée dans la version « IEEE 488.2 » de la norme.

Auteur : National Instruments.

Source : www.psi.ch - Institut Paul Sherrer.

Cette interface de communication numérique répandue est destinée aux applications de mesure industrielle. Sa base technique repose sur l'exploitation des possibilités offertes par le standard de transmission par boucles de courant 4-20 mA. Son protocole a été spécialement conçu pour échanger des données de configuration, des données de calibration, des valeurs de réglages, et des données de diagnostic, ce qui s'avère très utile pour effectuer des tâches de mise en œuvre ou pour effectuer des tâches de maintenance.

Le système est constitué tout à la fois d'un protocole matériel et d'un protocole logiciel qui fonctionnent de pair et sont indissociables.

• Côté matériel, les données sont échangées en modulant le signal 4-20 mA.
  • Les échanges de données nécessitent de disposer d'une interface HART   dans le but de moduler et de démoduler les données, et c'est exactement ce que fait le modem HART.
  • Le signal HART composite est le résultat d'une modulation des données en fréquence de 1 mA d'amplitude, superposée au signal de la mesure analogique, dans l'intention de transmettre simultanément les données numériques et la valeur analogique du signal de mesure en utilisant un seul support.
  • La modulation du signal HART consiste à coder les valeurs des données en assignant des fréquences différentes à chaque valeur de bit.
• Côté logiciel, le protocole définit le procédé utilisé pour communiquer et spécifie la structure des données.

La technologie HART bénéficie de la très bonne immunité au bruit des boucles de courant 4-20 mA, et ne nécessite aucun autre support que le câble destiné à transmettre la mesure, ce qui conduit à un système vraiment économique. Le taux de transmission des données est assez bas, puisque les équipements utilisent des fréquences plutôt basses pour moduler les données, mais ce n'est pas si important, car le but de HART est de véhiculer des données qui ne sont pas critiques en temps.

Ce système de communication continue d'évoluer : il est maintenant disponible sur des supports de transmissions sans fil ( Wireless HART ) et sur des supports Ethernet ( HART-IP ) également.

Ce matériel est une interface qui permet de faire communiquer entre eux un terminal ( un ordinateur, un terminal mobile, un automate programmable etc ) et un instrument de mesure supportant le protocole standard à partir d'une liaison réalisée par boucle de courant 4-20 mA.

L'appareil module et démodule le signal dans le but de lire et d'écrire les données ( ce qui est la définition d'un modem, en fait ).

Du côté du terminal, les données sont acheminées via un port de communication série ( RS232, USB, Bluetooth etc … ).

Un modem HART permet de dialoguer avec un capteur en s'y connectant localement ( c'est à dire en s'insérant physiquement dans la boucle 4-20 mA de transmission de données de l'instrument de mesure ) ou bien en s'y connectant à distance via ethernet.

Pour le mettre en œuvre, le principe de câblage d'un modem HART consiste tout simplement à insérer une résistance de charge en série avec le détecteur de mesure dans la boucle de courant, et à connecter le modem en parallèle à cette résistance.

La fondation HART fournit de courtes vues d'ensemble sur le protocole HART de base, la version HART sans fil et le protocole Ethernet HART-IP, plus une présentation technique plus détaillée sur la technologie dans son ensemble. Dans la section des articles techniques, vous pourrez télécharger le guide applicatif, un document de 194 pages assez bien illustré qui présente rapidement tous les concepts mis en œuvre avec quelques exemples d'applications industrielles.

www.fieldcommgroup.org

Consultant en contrôle industriel et en communication, Romilly BOWDEN publie tout un ensemble d'informations liées aux technologies HART. Dans une courte introduction, vous y découvrirez rapidement les réponses aux pourquoi et aux comment, puis vous accèderez à l'historique des versions et du protocole, quelles ont été les principales modifications effectuées au cours du temps, plus plein d'autres informations.

L'auteur propose en plus le programme « H-SIM », un outil logiciel pratique qui vous aide à calculer la longueur de câble disponible selon la force du signal que vous souhaitez en vue d'une application spécifique.

Romilly BOWDEN - www.romilly.co.uk

Ce volumineux dossier présente les techniques disponibles pour implémenter un système de communication HART dans un produit matériel spécifique. Ces informations portent principalement sur les points de vue électrique et électronique à envisager. Cerise sur le gâteau, le procédé d'échange de données est expliqué très clairement et de façon très détaillée.

www.analogservices.com

• Communiquer avec HART ( ).

  www.samsongroup.com

  La société SAMSON présente de manière très claire les connaissances fondamentales nécessaires pour bien appréhender ce procédé de communication numérique.

  La première section détaille la connexion des équipements, l'adressage, le nombre de participants, les connexions point à point, les connexions multiplexées et les moyens de communication de plus haut niveau.

  Elle se termine par l'explication du câblage en deux fils, par la description de l'interface de l'équipement de terrain, ainsi que par des considérations sur l'impédance de ligne.

  La seconde section décrit les couches de communication utilisées par le protocole. La couche physique ( codage, câblage, connecteurs ), puis les couches de services application et liaison de données ( contrôle d'accès, services de communication, structure des télégrammes, immunité au bruit, durées de transmission et taux de transfert de données utilisateur ).

  Cette section se termine par la présentation du langage de description des équipements ( DDL ) qui permet le dialogue d'un équipement avec n'importe quel système.

Le standard LXI ( Extension réseau pour instruments ) est une interface de communication dédiée qui est très utilisée dans les départements d'instrumentation et de tests, dans les laboratoires d'essais ou dans les centre de recherche et de développement. Il résulte de la migration du système VXI / PXI ( qui contient nativement le standard GPIB ) vers un système de communication Ethernet. Les fonctions exercées par GPIB sont accédées par l'intermédiaire d'une passerelle dédiée et les fonctions de synchronisation sont assurées par l'intégration du protocole standard de communication en temps-réel IEEE 1588.

L'héritage des capacités de VXI / PXI, des fonctionnalités d'internet et d'Ethernet, des performances de GPIB et des services de l'IEEE 1588 constituent un système de réseau d'instruments puissant, rapide, souple, fiable et compact.

LXI se trouve être le successeur de GPIB de bien des façons.

De par sa compatibilité avec Ethernet, le système bénéficie des possibilités offertes par Internet en embarquant un serveur web dans les instruments, ce qui permet de les interfacer et de les contrôler à l'aide d'une application web s'exécutant sur un simple ordinateur personnel d'entrée de gamme par exemple. Ce qui a eu pour conséquences que les équipements ne nécessitent plus aucun panneau de contrôle en façade, et que l'utilisation de nouvelles technologies répandues et populaires contribuent à la baisse des coûts.

Pour mémoire

• VXI ( Extension VME pour l'instrumentation ) est un système de réseau d'instrumentation compact.

  Il intègre les meilleures caractéristiques du bus VME ( Versa module eurocard ) et du bus GPIB.

• PXI ( Extension PCI pour l'instrumentation ) est un système de réseau d'instrumentation plus récent.

  Il intègre les meilleures fonctionnalités du bus PCI ( Interface de composants périphériques ) et du bus GPIB.

Le consortium LXI fait la promotion de la technologie LXI, et n'est pas avare pour offrir de très nombreuses informations.

La section « au sujet de LXI » introduit à la technologie, ( qu'est ce que LXI ? , Quels bénéfices peut on en tirer ? , quelles sont ses caractéristiques principales ? ).

La section « ressources » fournit une introduction technique sur LXI et quelques autres guides. Vous pouvez aussi y télécharger de la documentation technique et y regarder quelques vidéos explicatives. Vous y trouverez également des outils pratiques.

Last but not least, vous pourrez télécharger librement l'intégralité des spécifications, ce qui comprend la version courante et les versions plus anciennes.

www.lxistandard.org

Ce procédé de communication - normalisé sous la référence EN 13757 - est dédié à la communication entre équipements programmables ( dits « intelligents » ), et plus spécialement à la communication entre les instruments qui sont destinés à l'industrie de l'énergie et à la distribution de l'énergie. Son usage le plus courant consiste à lire les mesures de consommation et les mesures de température à moindre coût.

Il s'agit d'une technologie réseau plutôt flexible car un système peut être installé soit en adoptant une topologie linéaire, une topologie en étoile ou une topologie en arbre au sein d'une architecture câblée, soit en intégrant une architecture de transmission sans fil, le tout en utilisant qu'une seule structure maître-esclave liée à un procédé de communication client-serveur.

Une des spécificités de ce système consiste en ce que le format des télégrammes de données n'est pas spécifié, laissant les fabricants libres de les définir à leur guise.

Dans les versions câblées, une autre de ses spécificités consiste en ce que le maître et les esclaves modulent l'alimentation électrique pour transmettre les signaux de données.

• Les requêtes du maître sont transmises en modulant la tension de l'alimentation électrique ( un niveau de tension de 36 VCC correspond à un niveau logique de « 1 », un niveau de tension de 24 VCC correspond à un signal logique de « 0 » ).
• Les réponses des esclaves sont transmises en modulant la consommation de courant de l'alimentation électrique ( une consommation de courant de 1.5 mA correspond à un niveau logique de « 1 », une consommation de courant entre 11 et 20 mA correspond à un niveau logique de « 0 » ).

L'organisation officielle fournit la documentation technique de M-Bus V 4.8 complète ( ), une ancienne version qui vous permettra de connaître les principes de base sur lesquels repose le système.

En parcourant ces 88 pages, vous obtiendrez des informations intéressantes à propos des bases techniques qui ont été retenues dans la conception de cette technologie avec beaucoup d'explications sur les principales caractéristiques offertes par le système : premièrement en fournissant des informations générales sur ce type de réseau et sur les topologies sous lesquelles il peut être installé, ensuite en fournissant des détails sur la manière dont les différentes couches du modèle OSI ont été implémentées dans ce système, à savoir la couche physique, la couche de liaison de données, la couche application et la couche réseau.

www.m-bus.com

• Profibus pour l'automatisation de procédés ( introduction ).
• Dans la section téléchargement, vous trouverez de nombreux documents à propos de Profibus-PA : des descriptions techniques, des guides d'installation, des drivers et des fichiers de description des équipements, ainsi que des outils logiciels.

www.profibus.com

Ce tutoriel présente les principes fondamentaux qu'utilise Profibus en général et Profibus-PA en particulier. Il aborde la couche physique, l'adressage des données, la couche de sécurité, les topologies, les connexions et l'interface utilisateur, ainsi que l'interface de description des appareils ( les fichiers GSD et EDD ).

www.samsongroup.com

Vous trouverez aussi beaucoup d'informations concernant le matériel, les suports de transmission, le câblage, les architectures possibles etc dans le guide de conception d'un réseau Profibus / Profinet édité par la société Siemens et présenté dans le dossier sur les bus de terrain.