Foundation™ Fieldbus : bases du système et du diagnostic

04-25-2012 | Oscilloscopes

By Wim Nederhoff

Par Wim Nederhoff

La tendance actuelle en automatisation industrielle consiste à remplacer les schémas de commande traditionnels, où chaque dispositif possède son propre câblage, par des systèmes en bus reliant l'ensemble des équipements par un câble unique. Les réseaux en bus ont notamment pour avantage de nécessiter bien moins de câbles et de fils pour relier les instruments aux contrôleurs. L'un des systèmes de bus le plus prisé et le plus utilisé est le Foundation Fieldbus.

Structure de base d'une configuration de bus Foundation Fieldbus

Développé et administré par la Fieldbus Foundation, association fondée par un groupe de constructeurs d'automates, de capteurs et d'actionneurs, Fieldbus répond aux différents besoins d'un environnement d'automatisation industrielle à l'aide de deux protocoles spécifiques. Ceux-ci opèrent chacun sur des supports physiques et à des vitesses de communication qui leur sont propres.

Le premier est le protocole H1, qui fonctionne à 31,25 kbits/s et connecte généralement les équipements de terrain (capteurs, actionneurs, vannes, voyants, blocs d'E/S, etc.). Il permet une communication bidirectionnelle entre ces équipements et un contrôleur. H1 assure à la fois l'alimentation et la communication sur un système bifilaire. Un câblage en paire torsadée blindée standard est recommandé pour réduire les parasites sur le réseau.

Le second est le protocole HSE (High-speed Ethernet). Il opère à 100 Mbits/s et relie des contrôleurs à grande vitesse, tels que des automates programmables, des sous-systèmes H1 multiples (via un dispositif de liaison), des serveurs de données et des postes de travail. Cette note d'application se focalise sur le protocole H1.

Structure du réseau

Exemple n° 1 : Structure de base d'une configuration de bus Fieldbus.
Exemple n° 1 : Structure de base d'un réseau H1 Fieldbus

Le réseau est constitué d'un câble principal, sur lequel s'interconnecte une série de boîtes de raccordement ou coupleurs. Les coupleurs permettent de relier les équipements et le contrôleur au câble principal ou barre omnibus. En général, les câbles plus courts reliant les boîtes de raccordement et les équipements sont appelés dérivations ou brins.

Les boîtes de raccordement peuvent servir à raccorder un ou plusieurs équipements à la barre omnibus. Si chaque équipement possède sa boîte de raccordement dédiée, on parle d'une topologie en dérivation. Si plusieurs équipements sont raccordés par la même boîte, la disposition est dite en étoile ou arborescente. Comme celui de l'exemple n° 1, la plupart des réseaux mêlent les topologies en dérivation et arborescente.

Il est théoriquement possible d'acheminer la barre omnibus directement d'équipement à équipement (donc, sans utiliser de boîtes de raccordement), mais la Fieldbus Foundation le déconseille. En effet, avec une telle topologie (dite linéaire), le tronçon doit être à l'arrêt chaque fois qu'un équipement est ajouté au réseau ou en est retiré.

La technologie Fieldbus impose des limites à la taille d'un réseau. La longueur maximale cumulée du câblage dans une barre omnibus et ses dérivations est de 1 900 m par segment. Si une longueur plus importante est nécessaire, il est possible d'ajouter un segment moyennant un répéteur. Un répéteur prend la place d'un équipement, mais il permet d'ajouter 1 900 m de câble supplémentaires. Un réseau peut admettre jusqu'à quatre répéteurs, pour une longueur totale de 9 500 m.

Veuillez noter que le blindage n'est raccordé à la terre qu'en un seul point du système entier, ce qui n'est pas anodin. Une mise à la terre du blindage en plusieurs endroits peut y induire des tensions et des courants parasites, de nature à brouiller les communications de données.

Chaque segment du bus de terrain permet de connecter un maximum de 32 équipements.

Comme l'illustre l'exemple n° 1, une source DC est nécessaire pour assurer l'alimentation DC ou tension de polarisation. Un branchement direct de la source DC sur la barre omnibus créerait un court-circuit pour les signaux AC. Pour cette raison, le réseau doit disposer d'une alimentation conforme Fieldbus, constituée d'une source DC associée à un filtre dédié. Le filtre laisse passer le courant DC avec un minimum de pertes, mais crée une haute impédance pour le signal AC venant du côté du réseau.

Exemple n° 2 : Fieldbus comporte une composante d'alimentation DC et le signal de bus.
Figure 2 : la tension sur le Fieldbus comporte une composante d'alimentation DC et le signal de bus proprement dit.

La barre omnibus est une ligne de transmission où la vitesse de propagation des signaux AC joue un rôle important. Elle doit donc être terminée par des bouchons de charge appropriés, placés à chaque extrémité (et uniquement là) pour les signaux AC. La résistance de terminaison doit être d'une impédance égale à l'impédance caractéristique du câble, soit généralement 100 ±20 Ω. Etant donné que le réseau conduit également une tension d'alimentation DC, les bouchons de charge doivent être munis en série d'un condensateur destiné à bloquer le courant continu.

Bases du diagnostic

Le ScopeMeter Fluke permet d'effectuer certaines procédures de diagnostic et de dépannage sur un bus de terrain H1. Nous en décrirons plusieurs dans les grandes lignes à la section suivante. Vous trouverez plus de détails dans la note d'application : Dépannage des installations Fieldbus à l'aide du ScopeMeter Fluke 125.

Détection des réflexions

Le phénomène appelé réflexions perturbe les communications sur un réseau. L'exemple suivant explique un cas de réflexion sur un réseau en court-circuit à une extrémité. Il est toutefois important de bien comprendre que toute anomalie (que ce soit un court-circuit ou une terminaison médiocre) sera la cause de réflexions.

Que se passe-t-il lorsqu'une tension de pas est appliquée à une extrémité d'un long câble court-circuité à l'autre bout ? Au début, la tension appliquée rencontre l'impédance du câble et accumule un niveau de tension entre les conducteurs. Cette tension de pas voyage le long du câble à une vitesse déterminée par le type et la composition de ce dernier. Dans les câbles utilisés pour les réseaux Fieldbus H1, celle-ci équivaut environ aux deux tiers de la vitesse de la lumière dans le vide : 2/3 x 3 x 108 m/s = 2 x 108 m/s, ou environ 660 x 106 pi/s

Lorsque la tension de pas atteint le court-circuit, le niveau de tension passe brutalement à zéro. Ce changement peut être vu comme une tension de polarité inverse (retour à zéro), car il ne peut y avoir de tension aux bornes d'un court-circuit. A ce moment, le niveau de tension en tout autre point de la ligne est toujours égal au niveau de tension appliqué à l'origine.

Ensuite, cette nouvelle tension de polarité inverse retourne à la source de tension. Ce n'est qu'après cet aller-retour (réflexion), que le court-circuit deviendra apparent côté entrée. Ce processus de réflexion prend un certain temps, qui dépend de la longueur du câble. La durée du parcours dans un seul sens est égale au quotient de la longueur du câble par la vitesse du signal.

Une tension de pas a donc besoin, pour faire l'aller-retour sur un tronçon de longueur maximale, de 2 x 9,5 µs = 19 µs.



Or un Fieldbus H1 opère à une vitesse de 31,25 kbit/s, ce qui équivaut à un cycle d'horloge de 32 µs. Dès lors, en cas d'anomalie du câble, on doit s'attendre à voir les réflexions d'impulsions revenir avec un retard pouvant aller jusqu'à 19 µs. La durée de réflexion effective dépend de la distance entre la source de l'impulsion et l'anomalie.

Ainsi un court-circuit franc provoquera une impulsion de pleine amplitude, mais toute rupture ou écart par rapport à la nature homogène de la ligne engendrera une réflexion. L'amplitude de celle-ci dépend de la nature de l'anomalie.

Pour une bonne communication réseau, les réflexions doivent être évitées et les câbles doivent être terminés de manière adéquate. Encore une fois, une terminaison adéquate implique la pose d'un et d'un seul bouchon de charge à chaque extrémité d'un segment debarre.

Codage

Avec Fieldbus, les données numériques sont codées et transmises en codage Manchester. Dans ce procédé, un 1 numérique est transmis comme un front montant au milieu d'un cycle d'horloge (centre du bit), tandis qu'un 0 numérique l'est comme un front descendant. Ce mécanisme de codage présente plusieurs avantages par rapport au transfert de données binaires pures. L'un des plus importants est qu'il permet une récupération aisée du signal d'horloge côté récepteur (exemple n° 3).

Exemple n° 3 : Codage, transmission et décodage Manchester
Exemple n° 3 : Codage, transmission et décodage Manchester
Exemple n° 4 : Train d'impulsions de base, mesuré à l'oscilloscope
Exemple n° 4 : Train d'impulsions de base, mesuré à l'oscilloscope sur un système Fieldbus.

Autre conséquence, les impulsions générées ont une durée d'un ou d'un demi-cycle d'horloge, alors que le train de bits original comporte des impulsions dont la largeur s'étend sur un ou plusieurs cycles d'horloge. La tension résultante sur le bus est décrite schématiquement dans l'exemple n° 2. L'exemple n° 4 montre la vraie forme d'onde d'un paquet de données, après filtrage de la polarisation DC.

Génération du signal électrique

Quelqu'un qui ouvrirait le câble pour accéder aux deux fils à un endroit donné le long de la barre verrait deux sections de câble allant dans des sens opposés par rapport au point d'accès. D'un point de vue électrique, ces deux sections paraissent branchées en parallèle. L'impédance en un point quelconque de la ligne est par conséquent égale à l'impédance de deux sections de câble en parallèle. Autrement dit, l'impédance observée au niveau de n'importe quelle boîte de raccordement est de 50 Ω, soit la moitié de l'impédance caractéristique du câble.

Le signal de bus est créé électriquement par application d'un courant différentiel au système de bus à deux fils. Une tension différentielle de 800 ou 900 mVcàc (crête à crête) est ainsi générée sur le bus. Il s'agit également de l'amplitude crête à crête (Vcàc) du signal généré par n'importe quel équipement Fieldbus. Selon les spécifications Fieldbus, les équipements doivent être capables de générer un signal de sortie d'au moins 750 mVcàc.

Idéalement, cette amplitude devrait aussi être celle du signal reçu par les équipements Fieldbus. Cependant, vu l'atténuation qui survient le long du réseau, un signal entrant aura toujours une amplitude moindre. Selon les spécifications Fieldbus, un équipement doit pouvoir continuer à fonctionner correctement avec un signal d'entrée de 150 mVcàc. Une amplitude supérieure à 1 000 mVcàc est généralement symptomatique d'une erreur réseau, par exemple, un bouchon de charge manquant.

Anomalies

Si un équipement basse impédance supplémentaire est connecté au réseau en un point quelconque du bus, l'impédance globale vue au niveau de n'importe quelle boîte de raccordement sera plus faible car la charge supplémentaire est reliée en parallèle à l'impédance du câble. Une impédance de bus faible implique automatiquement des signaux de bus de moindre amplitude. Comme les signaux de bus sont des impulsions plus ou moins aléatoires, une telle charge supplémentaire se manifeste comme une discontinuité de la ligne de transmission et provoque des réflexions des impulsions d'origine, à l'endroit où la charge a été ajoutée. Ces réflexions vont entraîner des distorsions de la forme d'onde de l'impulsion qui pourront, à leur tour, conduire à une détection incorrecte du signal.

Si, par exemple, on pose un troisième bouchon, l'impédance globale du réseau et l'amplitude des signaux tomberont aux deux-tiers de leur valeur nominale. Cette perte de signal se traduira par davantage de distorsions d'impulsions, qui rendront la détection du signal encore plus difficile. L'expérience pratique démontre que l'une des sources d'erreur les plus courantes dans les réseaux industriels résulte d'un nombre de terminaisons insuffisant ou excessif.

« Foundation Fieldbus » est une marque déposée de Fieldbus Foundation.