Dépannage de l'E/S du contrôleur d'automatisation programmable au niveau physique

07-10-2013 | Oscilloscopes

Techniques, astuces et outils pour le dépannage de la couche inférieure du protocole OSI

Figure 1. Un dépannage efficace peut nécessiter un examen du câblage, des connexions et des caractéristiques électriques des signaux alors qu'ils traversent le système.

Les signaux vers et provenant de systèmes de contrôle de processus automatique doivent transmettre des informations de manière fiable et précise. Que ce soit un signal analogique de la vieille école de 4 à 20 mA communiquant le niveau de liquide dans un réseroir de stockage ou un signal Ethernet/IP™ relayant des instructions numériques à un convoyeur se trouvant à l'atelier, l'intégrité du signal électrique est la pierre angulaire du bon fonctionnement, de la fiabilité et de l'exactitude du contrôleur d'automatisation programmable.

La chaleur, la poussière, les produits chimiques corrosifs, l'humidité et les vibrations, typiques de nombreux environnements de travail, sont cependant susceptibles de dégrader le câblage et les connexions, créant un environnement électrique difficile et où la qualité du signal est dégradée. En conséquence, un dépannage efficace peut nécessiter l'examen du câblage, des connexions et des caractéristiques électriques des signaux alors qu'ils traversent le système (Figure 1).

La boîte à outils du dépanneur

Outils pour tester une gamme d'intégrité de signal électrique depuis les multimètres numériques jusqu'aux appareils spécialement conçus pour le test des caractéristiques électriques des circuits numériques et analogiques. (Remarque : dans cet article, nous n'aborderons pas le sujet des outils qui analysent les signaux comme données.) Les appareils fonctionnant sur batterie peuvent effectuer des mesures « flottantes » pour lesquelles aucun point de l'instrument n'est au potentiel de la masse (terre), ce qui permet d'assurer une précision de mesure sans que le processus de mesure ne dégrade la performance du réseau.

  • Un multimètre numérique peut prendre des mesures électriques de base (telles que la continuité, la résistance, et la capacitance) qui sont des tests de base utiles pour l'intégrité du câblage et de la connexion.
  • Les oscilloscopes permettent aux dépanneurs d'inspecter les formes d'onde du signal, ils peuvent ainsi voir les caractéristiques électriques dynamiques telles que le bruit, la distorsion, et l'amplitude de signal. Les oscilloscopes conçus pour les diagnostics électriques du réseau disposent à la fois des fonctionnalités des multimètres numériques et des oscilloscopes, ainsi que des caractéristiques supplémentaires spécialement pour le dépannage du réseau. Certains oscilloscopes réseau spécialisés peuvent mesurer non seulement des caractéristiques du signal mais aussi effectuer une analyse détaillée de la forme d'onde (mesure de la vitesse de transmission, gigue, temps de montée et de descente), capturer les anomalies et les perturbations du signal, et prévenir l'opérateur que les valeurs mesurées sont dans une série admissible pour les réseaux industriels courants.
  • Les outils de dépannage analogiques dédiés incluent une variété d'outils pour l'étalonnage de process et une documentation (par exemple sur la pression, la température, et les boucles de milliampères) sur le terrain, et des pompes pour le test de pression et du vide. Un certain nombre de ces outils, comme les pinces de process mA, disposent de fonctionnalités de mesure pour la vérification de signaux E/S analogiques.

Commencez par les bases

Commencez par limiter l'ampleur de la tâche de dépannage en clarifiant ce qui fonctionne, ce qui ne fonctionne pas et quels sont les symptômes exacts du problème.

Vérifiez l'historique de service.

A-t-on révisé ou reconfiguré quelque chose récemment ? A-t-on ajouté ou modifié quelque chose juste avant que les problèmes n'apparaissent ? Des problèmes dans un système qui fonctionnait bien auparavant ont souvent été introduits à la suite de modifications ou de réparations.

Cherchez les événements récents.

Voyez si vous ne pouvez pas lier les perturbations à des événements spécifiques ou à des appareils, comme le démarrage d'un moteur ou l'allumage d'une lampe.

Procédez à une inspection visuelle.

Vérifiez que le câblage est correct et intact (pas de cassures, pas d'effilochure ou d'isolation compromise). Vérifiez que les terminaisons sont serrées, sans corrosion, et terminées par la bonne impédance (si nécessaire). Vérifiez que les longueurs de câblage sont conformes aux spécifications, que le câblage et le blindage sont corrects et isolés des conducteurs d'alimentation (en particulier des variateurs de vitesse).

Prenez des mesures électriques de base.

Prenez des mesures autant que possible pour vérifier que les connexions de blindage et le signal sont solides et corrects. Les mesures (de basiques à avancées) incluent :

  • La résistance et la continuité dans le câblage. Assurez-vous de l'existence d'un chemin de signal et que cette résistance est conforme aux spécifications afin d'éviter une atténuation excessive du signal (Figure 2).
  • La résistance entre le câblage, les blindages, et la terre. Assurez-vous que le câblage et les blindages sont isolés et que ces derniers sont correctement mis à la terre.
  • Les capacitances entre les conducteurs et les blindages. Les valeurs de capacitance doivent être en accord avec les spécifications du fabricant en ce qui concerne le type et la longueur du câble, ainsi que le type de réseau.
  • Les tensions d'alimentation. Vérifiez que l'alimentation de l'équipement est conforme aux spécifications, en particulier si des signaux faibles ou avec une amplitude plus basse que prévue sont détectés.

Établissez un rapport.

Documentez soigneusement chaque mesure, notez ce qui a été mesuré, où, et dans quelles conditions.

Figure 2. Vérifiez que le niveau et la qualité du signal sont conformes aux spécifications du réseau.

Dépannage numérique de la couche physique avec inspection des formes d'onde numériques

Les signaux numériques sont généralement vus et abordés sous leur forme idéale : des formes d'onde parfaites avec une parfaite synchronisation et d'autres caractéristiques. La réalité, en particulier dans des environnements industriels, peut être assez différente.

Pour inspecter les formes d'onde numériques, branchez un oscilloscope sur le lien E/S et inspectez les formes d'onde.

  • Vérifiez que les formes d'onde du signal sont bien formées, pas trop atténuées, et sans bruit excessif.
  • Les transitions qui sont trop lentes (temps de montée lents) pourraient indiquer qu'un conducteur est trop long, que le câble est endommagé ou de type erroné, ou que l'embout requis est cassé ou manquant.
  • Le dépassement d'impulsion (une impulsion dépassant les 100 % d'amplitude) est également une indication d'impédances non conformes dans un réseau.
  • Augmentez la persistance de l'image de l'oscilloscope et ajustez le déclenchement pour obtenir un « diagramme œil » sur l'écran (Figure 3). (Un outil d'inspection du signal réseau dédié peut disposer d'un paramètre de diagramme œil automatique.) Le mode oscilloscope offre à l'utilisateur une excellente compréhension de l'activité du bus et de la qualité globale du signal.
    Figure 3. L'écran de l'oscilloscope montre « un diagramme œil » pour des signaux numériques propres et électriquement bruyants.
    Figure 4. Un courant de mesure d'une boucle de contrôle de process de 4 à 20 milliampères fait partie du dépannage analogique de la couche physique.
    • Des flancs lents ne sont pas nécessairement symptomatiques de problèmes de réseau, mais de grandes différences dans la vitesse de transition requièrent un examen plus approfondi.
    • Si seule une courbe occasionnelle présentant une forme d'onde manifestement différente est capturée, il y a de fortes probabilités qu'un équipement isolé connaisse des problèmes matériels ou ne bénéficie pas d'une alimentation correcte.
    • Un grand écart entre des niveaux de signaux faibles et élevés peut indiquer une atténuation de signal sur la ligne.
    • Une répartition incohérente des niveaux des signaux peut indiquer une discontinuité dans le réseau ou être due à un équipement qui injecte un signal de trop faible amplitude.

Les diagrammes en œil permettent également une analyse des niveaux de bruit du réseau. Le bruit peut perturber le signal et altérer, voire bloquer, la communication. De mauvaises connexions dans le blindage du câble ou un blindage déconnecté sont des causes fréquentes de niveaux de bruit perturbateur.

Dépannage analogique de la couche physique

Bien que la tendance soit maintenant orientée vers le numérique, les systèmes analogiques (en particulier les boucles de contrôle de process de 4 à 20 milliampères) se trouvent encore partout, surtout dans le secteur pharmaceutique, du raffinage, et d'autres zones de fabrication (Figure 4). Le multimètre et l'oscilloscope ont un rôle à jouer en ce qui concerne la mesure et la visualisation des caractéristiques électriques des systèmes analogiques, mais leurs outils dédiés peuvent non seulement mesurer le niveau analogique et contrôler les signaux mais aussi les générer, les simuler et les établir comme norme.

Dépannage des boucles de contrôle de process de 4 à 20 milliampères

Des signaux de boucle de contrôle de 4 à 20 mA représentent une variable de process (comme une pression ou une position de la vanne) avec un courant électrique analogue. Pour le dépannage :

  1. Mesurez les signaux de 4 à 20 mA. Si le courant de la boucle mesuré ne correspond pas à la valeur attendue, les trois causes les plus probables sont les suivantes : alimentation de boucle défectueuse, fils cassés/débranchés/court-circuités, ou instrumentation défectueuse.
  2. Mesurez l'alimentation de boucle sur le transmetteur et sur le circuit d'alimentation. Elle devrait se situer entre 19 et 23 V dans le transmetteur. Le circuit d'alimentation devrait se situer aux alentours de 24 V.
  3. Si les mesures de l'alimentation de boucle vous semblent suspectes, faites un test de substitution en utilisant l'alimentation 24 V de l'outil de test.
  4. Vérifiez le câblage. Vérifiez les terminaisons pour des connexions ayant une résistance supérieure à la normale.
  5. 5. Testez la carte E/S du CAP en envoyant un signal mA à l'entrée du contrôleur et vérifiez les indications correctes.
  6. Envoyez un signal mA à l'organe de commande final (par exemple, un positionneur de clapet). Si l'organe s'exécute comme prévu, le problème vient du câblage ou du signal de sortie du contrôleur. Si ce n'est pas le cas, le problème vient probablement de l'organe de commande final.

Dysfonctionnements de la boucle

S'il ne s'agit pas d'un problème de boucle hors tension mais d'un problème d'inexactitude, il peut s'agir d'une défaillance de carte E/S sur l'automate programmable ou d'un mauvais organe de commande final. Il est généralement préférable de commencer par un contrôle sur site du transmetteur, de l'indicateur local ou distant ou de l'organe de commande final.

Pour vérifier un organe de commande final, utilisez une pince milliampère pour mesurer le courant de boucle et comparez la valeur obtenue à l'indicateur de position local du clapet ou à un autre organe de commande final. Transmettez cette information à l'opérateur afin de vérifier vos conclusions.

Dans le cas d'une boucle de mesure, utilisez une pince multimètre pour mesurer le courant de boucle, puis vérifiez auprès de l'opérateur si la valeur indiquée sur le panneau de commande correspond au courant de boucle réel. Ceci permet de contrôler rapidement la carte E/S du CAP qui traite cette boucle. Il est également possible de transmettre un signal connu à la salle de commande ; comme indiqué précédemment, comparez cette valeur relevée par l'opérateur au courant réel présent dans la boucle.

Contrôle des cartes d'E/S du CAP

Pour réparer des cartes d'entrée de 4 à 20 mA, débranchez la boucle de process, transmettez un courant de signal connu, et comparez-le à la valeur relevée à la mesure. Vérifiez les cartes d'entrée de tension de la même manière, en transmettant une tension de signal connue.

Si le système de contrôle ne réagit pas, vérifiez la résistance d'entrée sur la carte E/S. (250 ohms est une valeur classique.) Si la mesure de résistance révèle un circuit ouvert, la carte E/S peut être défectueuse ou avoir un fusible grillé.

Analyse des données et conclusions

Une seule mesure révèle parfois l'origine d'un problème. Il est parfois nécessaire de faire une analyse minutieuse d'un éventail de mesures, c'est pourquoi il est important d'enregistrer les valeurs de mesures au fur et à mesure de l'avancée du processus de dépannage. L'analyse des mesures soulève parfois des questions supplémentaires. Celles-ci pourront donner lieu à de nouveaux contrôles, qui aideront le diagnosticien à trouver des solutions aux problèmes du système.