Brevet FR2727230A1 — publié le 19960524

DISPOSITIF D'ADAPTATION DE CAPTEURS OU D'ACTIONNEURS DE TYPE "HART" AVEC UN RESEAU LOCAL INDUSTRIEL DU TYPE "FIP" ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE DE CE DISPOSITIF DESCRIPTION Domaine techniaue La présente invention conceme un dispositif d'adaptation de capteurs ou d'actionneurs de type "HART" (marque déposée) avec un réseau local industriel du type "FIP", et un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif. Etat de la technique antérieure Depuis de nombreuses années les capteurs utilisés en automatisme utilisent une sortie 420 mA pour transmettre leur mesure. Le courant de 4 mA correspond à la valeur mesurée minimale et 20 mA à la valeur maximale. Les capteurs et actionneurs sont aujourd'hui "intelligents". II est possible de dialoguer avec eux pour mettre en oeuvre des fonctions évoluées telles que le changement de gamme, d'unité, les possibilités de test, d'étalonnage, etc. Les informations de sortie sont numérisées, ce qui implique une notion de codage. II existe malheureusement de nombreux codages différents, ce qui crée une incompatibilité entre eux. Pour relier entre eux les dispositifs d'automatisme (capteurs, actionneurs, automates programmables, ordinateurs, etc..) on utilise aujourd hui de préférence un réseau de terrain par exemple "HART" de Rosemount, ou "FIP". Le réseau "HART" est décrit dans un article intitulé "Le protocole de Communication "HART&commat;" (pane dans le bulletin F 2695, Rev 0-11/91, "La Famille intelligente", Rosemount). Ce protocole est également décrit dans l'article intitulé "HART PROTOCOL" par Romilly Bowden (Juin 1991, disponible chez Rosemount). Un modem "HART" est décrit dans un article intitulé "HART" MODEM, ultra low poser modem chip" (NCR 20C12, NCR "handbook"). "HART" (Highway Addressable Remote Transducer) est le nom donné par Rosemount à son protocole de communication pour transmetteurs "intelligents". "HART" utilise la norme de communication BELL 202 qui repose sur une transmission de signal par modulation de fréquence avec 2 fréquences spécifiques. La vitesse de communication est de 1 200 bauds. Les principales caractéristiques du "HART" sont les suivantes: - II permet à la fois une communication analogique et numérique. L'accès aux données numériques peut se faire tout en utilisant le signal analogique pour la régulation ou la mesure. - Le même jeu de cartes électroniques permet d'établir une liaison numérique avec des transmetteurs "2 fils" ou une communication numérique totale. Les instrumentistes peuvent commencer d'utiliser les transmetteurs "intelligents" avec les systèmes analogiques actuels, puis passer progressivement à des systèmes intégralement numériques sans avoir besoin de remplacer ou modifier les appareils de site. - Plusieurs dispositifs de communication (par exemple RS3 ou l'interface de communication portative 268) peuvent communiquer simultanément. - La possibilité d'adressage des transmetteurs permet de connecter jusqu'à 15 appareils sur la même paire de fils torsadés. - Tous les transmetteurs de la "Famille Intelligente" utilisent une structure de message commune. Ceci permet aux dispositifs d'interfaçage de communiquer de la même manière avec les produits futurs ou actuels. Le réseau "FIP" est normalisé en France par runion Technique de l'électricité ou U.T.E. et les documents relatifs à cette norme portent les références C46O1, PrC46-602, PrC46-603, PrC46-604, C46-605, PrC46O6, C46C7, C46637, et C4 & 45. Le réseau local industriel normalisé "FIP est beaucoup plus rapide et complet que le réseau "HART" et surtout il est normalisé. Cependant les capteurs intelligents Rosemount sont très performants et le parc installé considérable. Par contre les capteurs compatibles avec le réseau "FIP" sont encore trop peu nombreux. Le problème à résoudre consiste donc à réaliser un adaptateur qui permette d'utiliser les capteurs "HART" sur le réseau "FIP". II n'existe actuellement aucun adaptateur de ce type. La solution la plus répandue consiste à utiliser la sortie standard 4-20 mA des capteurs "HART" en la reliant à rentrée d'un convertisseur analogique numérique lui-meme relié au réseau. La mise en oeuvre des fonctions "intelligentes" est impossible à distance. L'ufflisateur doit se déplacer avec un outil de configuration (l'interface de communication portative 268) pour agir sur ces fonctions: étalonnage, changement de gamme, etc.. La solution envisagée par les créateurs du protocole "HART" est évidemment différente. II existe un réseau local industriel "HART" susceptible de mettre en oeuvre toutes les fonctionnalités des capteurs et actionneurs compatibles. Ce réseau "HART" est peu utilisé car il présente les inconvénients suivants: - il est lent (1200 bit/s) par rapport au réseau "FIP" (1Mbit/s); - c'est un réseau "propriétaire" donc non normalisé avec les inconvénients bien connus de ce genre de réseaux: concurrence limitée donc prix élevés, catalogues également limités, pas de garantie de pérennité, etc. L'objet de l'invention est d'établir la communication entre le réseau "FIP" et les capteurs et actionneurs "FIP" aussi bien qu'avec les capteurs et actionneurs "HART". Exposé de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'adaptation de capteurs ou actionneurs du type "HART" avec un réseau local industriel de type "FIP", caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage d'isolation galvanique, un amplificateur filtre, un discriminateur de mise en forme, un modem restituant les informations numériques codes, un microcontrôleur programmé pour traduire les messages en langage "FIP", un "circuit interface FIP" et un second étage d'isolation galvanique. La présente invention conceme également un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif, comportant les étapes suivantes: - initialisation de la liaison sérine à 1200 Bauds; - chargement du programme du circuit "FIP" - lecture des informations fixes du capteur; - lecture des commandes arrivant par le réseau "FIP" - décodage des commandes arrivées par le réseau "Fl P", traduction et émission d'une trame "HART"; - lecture des variables du capteur. Avantageusement, les étapes de lecture de données capteur comprennent les sous-étapes suivantes: - émission d'une trame aprés calculs de parité et compactage; - réception d'une trame; - lecture et analyse de la trame reçue après décompactage. Grâce à la présence des dispositif adaptateurs de l'invention qui servent d'interprètes, les capteurs et actionneurs sont "vus" de la même manière par l'utilisateur du réseau. La mise en oeuvre de tous les capteurs et actionneurs compatibles avec le protocole "HART" devient possible. Toutes les informations numériques élaborées par un capteur transitent par le réseau "Fl P". L'exploitation de toutes les fonctions intelligentes peut se faire à partir de n'importe quel point du réseau. Brève dexription des dessins - La figure 1 illustre l'objet de rinvention; - les figures 2A et 2B illustrent le fonctionnement du réseau "FlP; - la figure 3 illustre le fonctionnement d'un capteur "HART"; - les figures 4 et 5 illustrent le principe du codage des informations "HART"; - les figures 6 et 7 illustrent le dispositif d'adaptation de l'invention; - les figures 8 à 10 représentent des organigrammes de fonctionnement du dispositif illustré à la figure 6; - la figure 11 illustre un exemple d'application du dispositif de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de rinvention doit permettre rétablir la communication entre un réseau local industriel "FIP" 10 et des capteur "FIP" il et actionneur "FIP" 12, aussi bien qu'avec des capteurs "HART" 13 et actionneur "HART" 14. Grâce à la présence de dispositifs adaptateurs 15 et 16 selon l'invention, qui servent d'interprètes, ces capteurs et actionneurs sont "vus" de la même manière par rutilisateur du réseau. La mise en oeuvre de tous les capteurs et actionneurs compatibles avec protocole "HART" devient possible. Toutes les informations numériques élaborées par un capteur transitent par le réseau "Fl P". L'exploitation de toutes les fonctions intelligentes peut se faire à partir de n'importe quel point du réseau. Le réseau local industriel "FIP permet de relier entre eux les composants d'automatisme par un câble unique qui adopte une structure de bus. Le premier but étant de réaliser des économies sur le cablage par rapport aux liaisons fil à fil vers un système d'acquisition à entrées multiples. Les médias utilisés sont la paire bifilaire blindée ou la fibre optique. Le codage numérique des informations permet d'améliorer la précision des mesures. D'autre part, ce codage est nécessaire pour établir le dialogue dans les deux sens avec les capteurs et actionneurs "intelligents". Le mode d'accès au réseau est géré de la façon illustrée sur les figures 2A et 2B, sur lesquelles sont représentés un arbitre de bus AB et des stationsSTl.... STn. L'arbitre de bus gère la communication. II cornait les stations émettrices de données et la péréélicité de chaque donnée. Il peut par exemple, comme représenté sur la figure 2A, donner le droit de parler à la station ST2. Toutes les stations écoutent Les stations STI et ST3 sont ici intéressées par le message émis par la station ST2, pas les autres. Comme représenté sur la figure 2B, la station ST2 émet son message, les stations ST1 et ST3 le reçoivent simultanément L'arbitre de bus passe à la communication suivante en temps voulu. Les fonctionnalités du réseau "FIP" sont très nombreuses et il n'est pas possible de les décrire ici. Comme décrit plus haut, ce réseau est normalisé en France par l'Union Technique de rElectricité. La figure 3 illustre un capteur "HART". Sur cette figure sont représentés les éléments suivants: - un capteur de température 20; - un convertisseur du signal analogique en signal numérique 21; - une mémoire du module détecteur 22 avec ses coefficients et ses caractéristiques; - un microprocesseur 23 permettant linéarisation du capteur, réetalonnage de l'échelle, amortissement, diagnostic, utilisation d'unités physiques, communication; - une mémoire 24 du module électronique avec ses points d'échelle réglés et la configuration du transmetteur; - un module 25 de réglages locaux du zéro et de l'échelle; - un convertisseur du signal numérique en signal analogique 26; - un module de communication numérique 27, par exemple de typeBell202; I'entrée 28 étant une entrée de pression différentielle. Le microprocesseur 23, incorporé au capteur, constitue "I'intelligence" qui apporte de nouvelles fonctions: linéarisation de la courbe, changement d'échelle, etc. Les mémoires 22, 24 non volatiles conservent les réglages, les coefficients et les caractéristiques du module. La sortie 29 de l'information de pression se présente sous forme analogique gràoe au convertisseur numérique-analogique 26 qui délivre un courant variant de 4 à 20 mA. La totalité des informations numériques reste accessible sous forme numérique et dans les deux sens par rintermédiaire du module de communication numérique 27 qui superpose des "1" et des "0" sur le courant de sortie. Les figures 4 et 5 illustrent le principe de codage des informations "HART", avec radaptateur 32 au réseau "FIP 33. Le capteur ou actionneur 30 est alimenté par une alimentn continue 31 (habituellement 24 Volts). En fonction de la valeur de la grandeur physique mesurée par le capteur, un courant ayant une valeur de 4 à 20 mA circule dans les résistances R1 et R2. Un faible signal sinusoïdal I est superposé à ce courant. Comme représenté sur la figure 5, un "1" logique est constitué d'une période de sinusoïde à 1200 Hz, un "0" logique est constitué d'une sinusoïde à 2200 Hz de durée identique. La référence 34 correspond aux accès vers les autres usagers. La sortie en courant n'est pas perturbée par ces sinusoïdes car leur valeur moyenne est nulle. Ces fréquences correspondants à la norme Bell 202 utilisée aux Etats-Unis pour émettre des signaux logiques sur le réseau téléphonique. Des circuits modem Bell 202 existent et permettent de transformer ces fréquences en signaux logiques "0" ou "1". La suite des bits forme des octets qui sont codés en ASCII. Une suite de caractères forme un message. Le protocole "HARr prévoit un certain nombre de messages normalisés qui constituent les questions-réponses nécessaires au dialogue avec toute la gamme des capteurs-acbionneurs. Le dispositif adaptateur de l'invention est illustré à la figure 6, les références considérées à la figure 4 étant conservées. Ce dispositif comporte un premier étage d'isolation galvanique 35, un amplificateur filtre 36, un discriminateur de mise en forme 37, un modem 38 restituant les informations numériques codées, un microcontrôleur 39 programmé pour traduire les messages en langage "Fl P", un "circuit FIP" connu 40 servant d'interface avec le réseau "Fl P", et un second étage d'isolation galvanique 41. Ce dispositif adaptateur recueille aux bornes de RI une tension proportionnelle au courant 420 mA, ainsi que la tension sinusoîdale préc8demment décrite. Le premier étage d'isolation galvanique 35 permet de transmettre le courant alternatif sans laisser passer le continu. Ces signaux sont tres faibles car la valeur de la résistance RI doit être choisie la plus faible possible. Il est donc nécessaire de les amplifier. L'amplificateur 36 forme un filtre passe-bande afin d'améliorer le rapport signal sur bruit Les sinusoïdes V1 représentées en figure 7A, sont transformées en créneaux V2, représentés en figure 7B, par le discriminateur 37 puis présentées à rentrée du modem 38.Celui-ci reconstitue les "1" et les "0" logiques et les dirige vers rentrée série du microcontrôleur 39. Ce microcontrôleur peut reconstituer les messages "HART", en déchiffrer le contenu et le traduire pour le mettre à la disposition du réseau "FIP" 33. Le dialogue fonctionne également dans rautre sens. C'ests dire du microcontrôleur 39 vers le modem 38, puis du modem 38 vers risolation galvanique 35. Le message est ensuite injecté sur la boude de courant et reçu par le capteur ou racffonneur 30. Le microcontrôleur 39 peut échanger des données avec le réseau "FIP" 33 grâce à l'un des circuits intégrés spécialement conçus pour ce réseau (par exemple les circuits Fullfip conçus par Cegelec, Fipiu par Télémécanique). L'isolation galvanique 41, du côté "FIP", est habituellement réalisée avec un transformateur ou une fibre optique. Le logiciel implanté dans le microcontrôleur travaille de la façon illustrée sur les figures 8, 9 et 10. La figure 8 illustre l'organigramme de fonctionnement du programme du microcontrêleur, qui comporte les étapes suivantes: - initialisation de la liaison série à 1200 Bauds (module 50); - chargement du programme du circuit "FIP" (module 51); - lecture des informations fixes du capteur (module 52); - lecture des commandes arrivant par le réseau "FIP" (module 53); - decodage des commandes arrivées par le réseau "FIP", traduction et émission d'une trame "HART (module 54); - lecture des variables du capteur (module 55). La figure 9 illustre l'organigramme de fonctionnement d'un sous-programme de lecture des données capteur utilisé pour les modules 52 et 55. 11 comprend les étapes suivantes: - émission d'une trame après calculs de parité et compacbge (module 56); - réception d'une trame (module 57); - lecture et analyse de la trame reçue après décompacciige (module 58); le compactage correspondant au passage du code ASCII 8 bits à un code compacté 6 bits, le décompactage correspondant au passage du code compacté 6 bits au code ASCII 8 bits. La figure 10 illustre l'organigramme analyser-commande (module 54). L'action considérée correspond à une lettre R, M, A, F, U A chaque lettre (tests 60 à 65) correspond un traitement associé (modules 66 à 71). Ce logiciel permet donc: - la lecture de la demande transmise par le réseau "Fl P"; - I'envoi de la commande correspondante vers le capteur ou l'actionneur en langage "HART"; - la lecture de la réponse; - la traduction de la réponse et mise à disposition de la donnée vers le réseau "FIP qui se charge de la transmettre automatiquement ExemDle d'aDDlication Toutes les applications courantes en automatisme peuvent être envisagées (acquisition de mesures, régulation, supervision, maintenance des capteurs, etc..). La figure Il illustre un exemple d'utilisation des adaptateur dans le domaine de la maintenance. Sur cette figure sont représentés un micro ordinateur 75, des adaptateurs 76, 77, 78 connectés respectivement à des capteurs 79, 80 et 81. A partir du micro-ordinateur, il est possible de réaliser: - les mesures et renregistrement des grandeurs mesurées par les capteurs avec l'unité physique, la constante de temps, le pourcentage de la gamme, choisis à distance par l'utilisateur; - les opérations de maintenance par lecture des indications mémorisées à cet effet dans le capteur; - les opérations de test des capteurs (périodiques ou déclenchées par l'opérateur); - l'édition d'un joumal avec l'heure des incidents, leur nature, la cause, le remède apporté; - les opérations de réglage et d'étalonnage à distance deviennent possibles en utilisant des "manifolds" (ce sont des vannes télécommandables). Le réseau se charge de transmettre les ordres de commande. II renseigne également les autres utilisateurs de rindisponibilité de ce capteur durant toute l'opération. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'adaptation de capteurs ou actionneurs de type "HART" avec un réseau local industriel de type "FIP", caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage d'isolation galvanique (35), un amplificateur filtre (36), un discriminateur de mise en forme (37), un modem (38) restituant les informations numériques codes, un microcontrôleur (39) programmé pour traduire les messages en langage "FIP", un circuit interface (40), et un second étage d'isolation galvanique (41). 2. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - initialisation de la liaison série à 1200 Bauds (module 50); - chargement du programme du circuit "FIP (module 51); - lecture des informations fixes du capteur (module 52); - lecture des commandes arrivant par le réseau "FIP" (module 53); - décodage des commandes arrivées par le réseau "Fl P", traduction et émission d'une trame "HART" (module 54); - lecture des variables du capteur (module 55). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les étapes de lecture de données capteur comprennent les sous-étapes suivantes: - émission d'une trame après calculs de parité et compactage (module 56); - réception d'une trame (module 57); - lecture et analyse de la trame reçue après dUcompactage (module 58).