Brevet FR2696304A1 — publié le 19940401

La présente invention concerne un dispositif pour transférer des données dans des systèmes de contrôle de processus, comme ils sont utilisés dans la technologie des processus industriels. Dans la technique de contrôle de processus notamment indus- triels, il est usuel d'agencer et d'assembler, dans la "zone de champ", des appareils de champ qui sont des sous-ensem- bles de mesure, de réglage et d'affichage, de façon corres- pondant aux conditions de sécurité prédéfinies à cet en-10 droit Ces appareils de champ présentent des interfaces réciproquement analogiques et numériques pour le transfert des données Le transfert des données est de plus réalisé par l'intermédiaire des lignes de l'alimentation en courant agencée dans la zone d'attente Pour la télécommande et le15 télédiagnostic de ces appareils de champ, sont également prévus des appareils de service dans la "zone d'attente", dont les conditions de sécurité présentent en général de plus faibles exigences. Le transfert des données entre les appareils de service dans la zone d'attente et les appareils de champ est réalisé par des lignes de courant de 20 m A connues à l'aide de la modulation de fréquence du type FSK ("Frequence Shift Keying") De plus, deux fréquences, qui sont associées aux états binaires " O " et " 1 ", sont transmises de façon analo- gique, de façon classique. Les conditions générales pour le signal FSK et le type de la modulation sont décrites dans "Hart Physical Layer Specifi- cation Revision 7 1 Final" du 20 06 1990 (Rosemount Document NO D 8900097; Revision B) Dans cette publication,30 deux topologies de réseau pour relier les appareils de champ aux appareils de service sont par ailleurs indiquées. La première topologie de réseau concerne une liaison point à point De plus, un seul appareil de champ peut être relié à chaque appareil de service Un transfert aussi bien analo- gique que numérique est possible par l'appareil de champ. La seconde topologie de réseau concerne une structure de bus, dans laquelle une pluralité d'appareils de champ peuvent être reliés, par l'intermédiaire d'un bus commun, à un appareil de service De plus, exclusivement le transfert de données numérique est possible En raison des paramètres de définition, le nombre maximal des appareils de champ qui peuvent être raccordés à un bus est de 15 et la longueur maximale du bus est limitée à environ 3300 m. Un constituant déterminant de ces paramètres de définition est la résistance interne des dispositifs d'alimentation en courant associés aux appareils de champ Les appareils de champ sont alimentés, en règle générale, par une tension constante d'alimentation stable et égalisée La résistance interne d'une source de tension suffisant à ces exigences est pratiquement nulle. Comme les lignes de l'alimentation en courant vers les appareils de champ sont également utilisées pour le trans- fert des données, la résistance interne de la source de tension est montée en parallèle à la résistance d'entrée du circuit récepteur respectif, de sorte que la résistance de charge résultante dans le sens d'émission est également pratiquement nulle Pour cette raison, une résistance ohmique discrète Rz est associée en série à la résistance interne de l'alimentation en courant, dont le dimen- sionnement doit résoudre la contradiction suivante. D'une part, cette résistance Rz doit être la plus petite possible pour limiter les pertes qui sont créées par le courant d'alimentation Is des appareils de champ et exigent un dimensionnement en conséquence plus puissant de l'ali- mentation en courant Par ailleurs, lorsque la résistance Rz augmente, il se crée des problèmes thermiques croissants, du fait que la puissance de perte créée P = Rz x Is doit être 5 évacuée, ce qui, en particulier dans des zones de champ à sécurité intrinsèque, est en contradiction avec les pres- criptions de sécurité. Par ailleurs, il est souhaitable que la résistance Rz soit la plus grande possible pour minimiser l'amortissement du10 signal lors du transfert des données. Dans le cadre d'essais pratiques, on a trouvé pour la résistance une valeur préférentielle de Rz = 250 Q. Le dimensionnement de la résistance d'entrée des appareils de champ est beaucoup plus grand (par exemple 100 k 2), pour15 éviter un autre amortissement du signal. En conséquence, l'invention a pour but de pouvoir échanger des données dans les conditions marginales définies entre un appareil de service et un plus grand nombre d'appareils de champ et sur des distances plus grandes Par ailleurs, à20 côté du transfert numérique des données entre l'appareil de champ respectif et l'appareil de service, le transfert des données analogique entre les appareils de champ correspon- dants doit pouvoir rester possible. A cet effet, le dispositif pour transférer des données au moyen d'une modulation de fréquence du type FSK, dans des systèmes de contrôle de processus, entre des appareils de champ agencés dans la zone de champ et un appareil de service agencé dans la zone d'attente, qui est raccordé à un bus de données, est remarquable, selon l'invention, en ce30 que les appareils de champ sont raccordés au bus de données par l'intermédiaire d'un coupleur de bus qui est bidirectionnel et présente, dans la direction d'émission et la direction de réception, des composants identiques en une succession identique, exclusivement les composants asssociés à la direction de transfert respective étant raccordés pendant le transfert de données. Avantageusement: le coupleur de bus présente, dans la direction d'émission et la direction de réception, à partir d'un branchement du côté d'émission ou du côté de réception, un circuit en chaîne constitué, à chaque fois, d'un moyen d'ouverture, d'un amplificateur, d'un circuit à seuil, et d'un circuit monostable redéclenchable, la sortie de chaque amplificateur est reliée, par l'in- termédiaire d'un moyen de fermeture associé, au branche- ment de la direction de transfert opposée, le moyen d'ouverture et le moyen de fermeture présentent des moyens d'actionnement, les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture et du moyen de fermeture raccordés au branchement du côté d'émission sont raccordés aux sorties du circuit monostable du côté de réception, et les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture et du moyen de fermeture raccordés au branchement du côté de réception sont raccordés aux sorties du circuit monostable du côté d'émission. De préférence, les circuits à seuil sont raccordés à une tension de référence commune. Selon une autre caractéristique de l'invention, les appa- reils de champ sont associés à une alimentation en courant,30 et le coupleur de bus est intégré dans l'alimentation en courant. Avantageusement, une isolation galvanique est prévue entre l'alimentation en courant et le coupleur de bus, tandis que le coupleur de bus peut être réalisé, de préférence, en tant que circuit intégré. A partir d'un bus de données linéaire à deux conducteurs avec des paires de dérivations vers chaque appareil de champ, le but précité est atteint grâce à un coupleur de bus qui est monté dans chaque paire de dérivations Ce coupleur de bus est bidirectionnel et présente, dans la direction10 d'émission et la direction de réception, des composants identiques en une succession identique. Dans chaque direction de transfert, sont à chaque fois montés, à partir d'un branchement du côté d'émission, un moyen d'ouverture, un amplificateur, un circuit à seuil, et15 un circuit monostable redéclenchable, en chaîne La sortie de l'amplificateur est par ailleurs reliée, par l'intermé- diaire d'un moyen de fermeture, à un branchement du côté de réception Le moyen d'ouverture et le moyen de fermeture présentent des éléments d'actionnement Les éléments d'ac-20 tionnement de la combinaison moyen d'ouverture/moyen de fermeture du côté de réception sont raccordés aux sorties du circuit monostable du côté d'émission, et la combinaison moyen d'ouverture/moyen de fermeture du côté d'émission est raccordée aux sorties du circuit monostable du côté de25 réception. La résistance d'entrée du côté d'émission comme du côté de réception est formée par la résistance d'entrée de l'ampli- ficateur respectif et, ainsi, peut être dimensionnée indé- pendamment des paramètres prédéfinis des appareils de champ.30 Cela signifie que la résistance d'entrée du côté de récep- tion peut être choisie de sorte que, en dépit du montage en parallèle du côté du bus d'une pluralité de tels coupleurs de bus et de plus grandes distances par rapport à l'appareil de service et, ainsi, d'une résistance de ligne élevée, un transfert fiable des données est possible. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un diagramme d'une configuration d'appareils dans la technique de contrôle de processus. La figure 2 est un diagramme du coupleur de bus selon l'invention. A partir d'une structure prédéfinie d'appareils reliés de façon linéaire les uns aux autres, qui sont représentés, sur la figure 1, sous forme d'un circuit en chaîne constitué des appareils de champ, capteur de valeurs de mesure 10 et transducteur de mesure 20, ainsi que d'une alimentation en courant 30 et d'un affichage 40, un appareil de service 5015 est prévu dans la zone d'attente grâce auquel les appareils de champ 10 et 20 peuvent être télécommandés et/ou sur- veillés à distance L'alimentation en courant 30 est munie d'une résistance ohmique discrète Rz, qui est agencée dans un des conducteurs d'alimentation pour les appareils de20 champ Chaque telle structure d'appareils de champ reliés les uns aux autres est équipée d'une alimentation en courant propre 30 L'appareil de service 50 est formé par exemple par un ordinateur individuel 51 et un modulateur- démodula- teur 52 Un bus de données 70 sous forme d'un conducteur25 bifilaire est raccordé au modulateur-démodulateur 52 Un coupleur de bus 60 est à chaque fois prévu entre le bus de données 70 et chaque structure d'appareils de champ reliés. En détail, ce coupleur de bus 60 selon la figure 2 est bidirectionnel et présente des composants identiques dans la30 direction d'émission et la direction de réception en une succession identique A partir d'un branchement 601 du côté d'émission, dans la direction d'émission, dans une première dérivation, sont montés un moyen d'ouverture 611, un ampli- ficateur 621, un circuit à seuil 631, et un circuit mono- stable redéclenchable 641, en chaîne La sortie de l'ampli-5 ficateur 621 est reliée, dans une autre dérivation, par l'intermédiaire d'un moyen de fermeture 651, à un branche- ment 602 du côté de réception. Dans la direction opposée de transfert, la direction de réception, sont reliés en chaîne, à partir du branchement10 602 du côté de réception, dans une première dérivation, un moyen d'ouverture 612, un amplificateur 622, un circuit à seuil 632, et un circuit monostable redéclenchable 642 La sortie de l'amplificateur 622 est relié, dans une autre dérivation, par l'intermédiaire d'un moyen de fermeture 652,15 au branchement 601 du côté d'émission. Les moyens d'ouverture 611, 612 et les moyens de fermeture 651, 652 présentent des moyens d'actionnement Les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture 611 et du moyen de fermeture 652 raccordés au branchement 601 du côté d'émis-20 sion sont reliés aux sorties du circuit monostable 642 du côté de réception Les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture 612 et du moyen de fermeture 651 raccordés au branchement 602 du côté de réception sont reliés aux sorties du circuit monostable 641 du côté d'émission. Les moyens d'ouverture 611, 612 et les moyens de fermeture 651, 652 sont représentés sur la figure 2, pour des raisons de clarté, sous forme de contacts, mais peuvent être en fait réalisés sous forme de commutateurs à semi-conducteurs. Les circuits à seuil 631, 632 sont raccordés à au moins une tension de référence 66 Cette tension de référence 66 présente un niveau qui, d'une part, est sûrement dépassé par le signal de courant alternatif à modulation de fréquence du type FSK et, d'autre part, empêche que le transfert de données soit influencé de façon néfaste par des signaux parasites provoqués. Dans une autre réalisation de l'invention, les circuits à seuil 631, 632 sont réalisés de sorte que, indépendamment de la polarité du signal d'entrée, l'état de commutation est continuellement modifié quand la valeur de la tension d'entrée dépasse la tension de référence 66. La durée de contact du circuit monostable dans son état instable est au moins aussi longue que la demi-période la plus longue des fréquences utilisées dans le signal FSK A chaque impulsion de déclenchement reconnu pendant l'état de commutation instable, cette durée de contact est redémarrée. L'état de base sans signal du coupleur de bus 60 est repré- senté sur la figure 2 Les moyens d'ouverture 611, 612 sont fermés et les moyens de fermeture 651, 652 sont ouverts. Un signal de courant alternatif à modulation de fréquence du type FSK appliqué au branchement 602 du côté de réception est amené, par l'intermédiaire du moyen d'ouverture fermé20 612, à l'entrée de l'amplificateur 622, est amplifié et est évalué par le circuit à seuil 632 Dans la mesure o le niveau instantané du signal du type FSK amplifié dépasse, pour la première fois, la tension de référence 66, le circuit monostable 642 est déplacé dans son état de commu-25 tation instable Par suite, le moyen de fermeture 652 est fermé, le moyen d'ouverture 611 est ouvert Ainsi, la dérivation d'émission, en commençant par l'amplificateur 621, est séparée du branchement 601, du côté d'émission, du coupleur de bus 60 et le signal du type FSK amplifié est transmis au branchement 601 du côté d'émission L'état de commutation instable du circuit monostable 642 et, ainsi, la liaison de la sortie de l'amplificateur 622 au branchement 601 du coté d'émission sont conservés aussi longtemps que des signaux du type FSK d'amplitude suffisante sont recon- nus Après achèvement du transfert des données dans la direction de réception, le circuit monostable bascule à 5 nouveau, après écoulement de sa durée de contact prédéfinie, dans son état stable Le moyen de fermeture 652 est ouvert et le moyen d'ouverture 611 est fermé Ainsi, on obtient à nouveau l'état de base sans signal. De façon analogue, un signal du type FSK appliqué au bran- chement 601 du côté d'émission, à partir de l'état de base sans signal du coupleur de bus 60, lorsque pour la première fois la tension de référence est dépassée, entraîne la fermeture du moyen de fermeture 651 et l'ouverture du moyen d'ouverture 612 et, ainsi, le passage du signal d'émission15 sur le branchement 602 du côté de réception. Du fait que, lorsque le moyen d'ouverture 612 est ouvert, le moyen d'ouverture 611 ne peut plus être ouvert et que, lorsque le moyen d'ouverture 611 est ouvert, le moyen d'ouverture 612 ne peut plus être ouvert, un blocage mutuel20 de la dérivation d'émission et de la dérivation de réception est exclu. Par ailleurs, le protocole de transfert entre l'appareil de service et les appareils de champ est tel que les appareils de champ émettent exclusivement selon la commande de l'ap-25 pareil de service, c'est-àdire non pas à leur initiative propre Ainsi, il est exclu que plusieurs appareils émettent simultanément sur le bus de données 70. De façon correspondant aux prescriptions de sécurité en vigueur, une séparation galvanique entre les appareils de30 champ 10, 20, et l'appareil de service 50 peut être néces- saire De façon appropriée, cette séparation galvanique est réalisée par un transformateur de séparation qui, du côté des appareils de champ, est raccordé au coupleur de bus 60. Le coupleur de bus 60 est de préférence intégré dans l'ali- mentation en courant 30 qui, au choix, présente une sépara- 5 tion galvanique, à sécurité propre, de circuits ne pré- sentant pas de sécurité propre. A cause des moindres exigences de sécurité, l'appareil de service 50 est avantageusement maintenu sur le côté non protégé de l'interface de transmission de données, la zone10 d'attente En conséquence, le coupleur de bus 60 est égale- ment agencé sur le côté non protégé. Pour constituer un bus de données 70 structuré de façon hiérarchique, le coupleur de bus 60 peut être également réalisé en tant qu'appareil autonome. Par ailleurs, le coupleur de bus 60 peut être également utilisé dans d'autres composants d'entrée et de sortie de systèmes de contrôle de processus. Grâce à la minimisation des dimensions constructives, le coupleur de bus 60 peut être également fabriqué en tant que20 circuit intégré dans des technologies différentes. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour transférer des données au moyen d'une modulation de fréquence du type FSK dans des systèmes de contrôle de processus, entre des appareils de champ ( 10,20) agencés dans la zone de champ et un appareil de service ( 50) agencé dans la zone d'attente, qui est raccordé à un bus de données ( 70), caractérisé en ce que les appareils de champ ( 10,20) sont raccordés au bus de données ( 70) par l'intermédiaire d'un coupleur de bus ( 60) qui est bidirectionnel et présente,10 dans la direction d'émission et la direction de réception, des composants identiques en une succession identique, exclusivement les composants associés à la direction de transfert respective étant raccordés pendant le transfert de données. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que: le coupleur de bus ( 60) présente, dans la direction d'émission et la direction de réception, à partir d'un branchement ( 601,602) du côté d'émission ou du côté de réception, un circuit en chaîne constitué, à chaque fois, d'un moyen d'ouverture ( 611,612), d'un amplificateur ( 621, 622), d'un circuit à seuil ( 631,632), et d'un circuit monostable ( 641, 642) redéclenchable, la sortie de chaque amplificateur ( 621,622) est reliée, par l'intermédiaire d'un moyen de fermeture associé ( 651,652), au branchement ( 602,601) de la direction de transfert opposée, les moyens d'ouverture ( 611,612) et les moyens de ferme- ture ( 651,652) présentent des moyens d'actionnement, les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture ( 611) et du moyen de fermeture ( 652) raccordés au branchement ( 601) du côté d'émission sont raccordés aux sorties du circuit monostable ( 642) du côté de réception, et les moyens d'actionnement du moyen d'ouverture ( 612) et du moyen de fermeture ( 651) raccordés au branchement ( 602) du côté de réception sont raccordés aux sorties du circuit monostable ( 641) du côté d'émission. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circuits à seuil ( 631,632) sont raccordés à une tension de référence commune ( 66). 4 Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les appareils de champ ( 10,20) sont associés à une alimentation en courant ( 30), et en ce que le coupleur de bus ( 60) est intégré dans l'alimentation en courant ( 30). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une isolation galvanique est prévue entre l'alimentation en courant ( 30) et le coupleur de bus ( 60). 6 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coupleur de bus ( 60) est réalisé en tant que circuit intégré.