De quelle façon l'isolation et l'IdO interviennent-ils dans l'automatisation industrielle ?

Bien que les ingénieurs et les techniciens humains gardent toujours la responsabilité ultime, dans une usine automatisée, l'opération de routine d'une pièce d'équipement est contrôlée par un programme informatique fonctionnant sur un microcontrôleur intégré, un PC industriel ou un contrôleur logique programmable (PLC).

Figure 1 : l'automatisation industrielle nécessite un grand nombre de microcontrôleurs intégrés (source : TI)

L'automatisation des processus industriels comporte un certain nombre d'avantages : elle permet d'économiser de l'énergie et des matériaux ; elle améliore la qualité et la précision des procédés industriels ; elle permet un fonctionnement dans des environnements dangereux (dans les centrales nucléaires, par exemple) et elle permet d'économiser largement sur la main-d'œuvre. 

Les résultats sont impressionnants. En 1909, il faillait 303 heures effectuées par les employés pour assembler une voiture ; en 1929, la durée a été réduite à 92 heures et en 2008, l'usine de Jeeps à Toledo, OH n'avait besoin que de 13,6 heures effectuées par les employés pour assembler un véhicule bien plus compliqué que le Modèle T. 

Les robots industriels réalisent désormais de nombreuses tâches qui étaient auparavant effectuées par l'homme, comme le soudage, le bras-transfert et l'assemblage et des systèmes de vision industrielle ont remplacé les inspecteurs du contrôle qualité.

L'entreprise connectée et l'Internet des objets

La prochaine étape après l'automatisation des processus industriels individuels est de s'assurer qu'ils fonctionnent bien ensemble - et qu'ils fournissent des données à leurs maîtres humains, bien sûr !  L'usine moderne automatisée repose donc sur un réseau industriel utilisant l'un des nombreux protocoles d'automatisation tels qu'Ethernet, Fieldbus ou le protocole HART pour fournir une connectivité au niveau de l'usine.  

Figure 2 : Quelques-unes des nombreuses normes de communication industrielles (source : TI)

L'Internet des objets (IdO) place la barre plus haut en intégrant des machines et des systèmes industriels à internet. La version la plus récente du protocole de communications Internet, IPv6, avec son adressage de 128 bits signifie que chaque appareil peut potentiellement avoir sa propre adresse IP, annonçant une connectivité pratiquement illimitée, une collecte massive de données et l'analyse dans le Cloud. 

Dans l'usine intelligente du futur, les niveaux de la pyramide de l'automatisation - du niveau de l'appareil à l'entreprise - seront reliés entre eux et les données liées à la fabrication seront disponibles en temps réel pour faciliter la prise de décisions commerciales.

Isolation galvanique et automatisation industrielle

Ajouter des commandes électroniques et relier plusieurs systèmes entre eux via un réseau présente de nombreux avantages, mais soulève également des questions et des défis. L'un d'eux est le défi de combiner des machines haute tension, à courant élevé tels que les robots industriels et les machines CNC avec des systèmes d'acquisition de données et des communications réseau basse tension, à faible courant. Nous allons parler d'une technique importante utilisée pour combattre ce problème, l'isolation galvanique. 

L'isolation galvanique est la technique consistant à isoler des sections fonctionnelles de systèmes électriques afin de prévenir une circulation de courant entre elles ; aucun circuit de conduction (c.-à-d. résistif) direct n'est autorisé. Bien qu'il n'y ait pas de chemin résistif entre les sections, l'alimentation ou les informations sont encore transférées par des techniques capacitives, inductives, optiques ou autres. 

Un appareil d'isolation transmet un signal, analogique ou numérique, de l'entrée à la sortie à travers une barrière d'isolation ; pour être efficace, la barrière d'isolation doit avoir une tension de claquage élevée et présenter un faible courant de fuite. Les appareils d'isolation sont un élément clé dans le branchement de l'usine connecté et se trouvent partout dans la chaîne de signaux : à partir de systèmes d'acquisition de données et de capteurs isolés individuellement jusqu'au réseau de communications à haute vitesse qui traverse toute l'usine.

Pourquoi l'isolation galvanique est nécessaire dans l'automatisation industrielle ?

Sécurité - Protéger les utilisateurs d'équipements électriques contre les tensions et les courants potentiellement mortels est une exigence clé, inhérente à toute conception électrique. Il existe un certain nombre de normes réglementaires, telles que UL60950-1, qui régissent la sécurité dans les équipements électriques. Une conception sûre comprend plusieurs niveaux de protection, dont l'isolation, la mise à la terre et l'isolation ; dans une conception d'alimentation électrique hors ligne, par exemple, un transformateur fournit une isolation inductive entre l'entrée CA et le reste du circuit. En général, une isolation galvanique peut être utilisée chaque fois que des tensions potentiellement dangereuses sont présentes.

Différences de terre et boucles de terre- Contrairement aux schémas simples que nous dessinions sur les bancs de l'école, devenus ingénieurs pratiquants, nous apprenons rapidement que la terre n'est probablement pas la même à différents points d'un système, en particulier lorsque ces systèmes sont très dispersés - entre les différentes parties d'une usine industrielle, par exemple. Cela peut conduire à des erreurs ou même à des pannes dans un réseau numérique parce que toute différence dans la référence de masse entre l'émetteur et le récepteur réduit la marge pour identifier correctement une logique '0' ou '1'. Dans les circuits analogiques, une différence de terre de CC ajoute un terme d'erreur de décalage et les changements de CA peuvent affecter le contenu harmonique du signal. L'isolation galvanique supprime l'effet de ces différences de terre et rompt les boucles de terre. 

Tensions de mode commun – dans de nombreux cas, nous devons extraire un petit signal surfant au dessus d'une tension de mode commun plus large : un signal en phase ou une tension qui apparaît simultanément sur les deux bornes d'entrée. Dans certains cas, cela peut compenser le signal mesuré par une quantité qui dépasse la plage de la pleine échelle de l'entrée de l'instrument ou dépasse les limites de surtension, causant des dommages. Un système d'acquisition de données isolé peut bloquer la tension de mode commun et permettre au signal d'être mesuré.

Normes réglementaires

Un certain nombre de normes réglementaires régissent l'isolation des applications industrielles, y compris la IEC 60204 ; UL508 ; UL60947 et CSA 14-10. De plus, les normes IEC 61010-1 et VDE 410/411 couvrent le contrôle industriel. 
Le champ d'application de la norme UL1577 se limite strictement aux isolateurs optiques, mais ses exigences de test et de définition concernant la tension de la barrière isolante apparaît souvent dans des spécifications pour d'autres appareils d'isolation.

Présentation de la technologie et des appareils d'isolation

En général, un appareil d'isolation comprend un composant ou une barrière d'isolation à haute tension, un émetteur pour coupler un signal d'un côté de la barrière d'isolation et un récepteur pour convertir le signal sur l'autre côté de la barrière en signal numérique ou analogique. Reportez-vous au « Guide de conception de l'isolateur numérique » de TI pour plus de détails.

Il existe trois techniques principales utilisées pour transmettre des signaux et la puissance à travers une barrière d'isolation. 

Isolation capacitive :  Un isolateur capacitif utilise des condensateurs à haute tension, généralement en dioxyde de silicium (SiO2) pour servir de composant d'isolation. La figure 3 montre l'architecture de l'isolateur numérique à un seul canal ISO7810, qui a une barrière d'isolation de 5,7 kVrms et peut gérer des taux de données jusqu'à 100 Mbps.

Figure 3 : architecture On/Off à détrompage utilisée dans l'isolateur numérique renforcé ISO78xx 5,7 kVrms de TI (source : TI)

Le ISO7810 utilise l'architecture On/Off à détrompage (OOK)  : le flux numérique d'octets entrant est modulé à l'aide d'une horloge d'oscillateur de spectre étalé pour générer la création d'un signal OOK, de telle sorte que l'un des états d'entrée est représenté par la transmission d'une fréquence porteuse et l'autre par une absence de transmission. La figure 4 montre un signal OOK représentatif.

Figure 4 : signal représentatif dans l'architecture OOK (source : TI)

Ce signal modulé est couplé à la barrière d'isolation et apparaît sous une forme atténuée du côté récepteur. La voie de réception est constituée d'un préamplificateur pour obtenir le signal d'entrée suivi d'un détecteur d'enveloppes qui sert de démodulateur pour régénérer le modèle numérique d'origine. Les circuits de conditionnement des signaux TX et RX sont utilisés pour améliorer le rejet du mode commun du canal, optimisant l'immunité contre les transitoires du mode courant (CMTI) et minimisant les émissions émises. 

Puisque les condensateurs bloquent le CC, un signal analogique doit être converti sous une forme plus adaptée pour passer à travers la barrière d'isolation. L'entrée de l'amplificateur d'isolation ISO122 , par exemple, est composée d'un amplificateur opérationnel suivi d'un modulateur pour transmettre le signal à travers la barrière capacitive ; le côté sortie démodule le signal numérique afin d'extraire la forme d'onde d'origine.

Isolation inductive : le couplage inductif utilisant un transformateur est largement utilisé pour fournir une alimentation isolée, puisqu'une conception isolée nécessite des alimentations électriques séparées de chaque côté de la barrière d'isolation.  La famille DCP01B, par exemple, est une famille de convertisseurs CC/CC isolés non régulés de 1W avec une barrière d'isolation de 3 kV. Elle contient un transformateur intégré, fournit jusqu'à 85 % d'efficacité de conversion et est idéale pour les applications de faible puissance telles que les capteurs et les émetteurs de terrain. Pour les conceptions nécessitant davantage de puissance, TI propose une gamme de modèles de référence d'alimentation isolés.

Isolation optique : un opto-isolateur, appelé également optocoupleur, transfère des signaux électriques entre deux circuits isolés en utilisant la lumière. Il est constitué généralement d'une DEL et d'un phototransistor dans le même paquet.

Les coupleurs isolés optiquement requièrent des impulsions de courant élevé et souffrent des effets du vieillissement du DEL. En outre, ils peuvent être trop lents pour des communications numériques à grande vitesse et sont donc remplacés par des conceptions capacitives.

L'isolation est souvent incorporée dans des fonctions d'automatisation industrielles très utilisées, comme des transmetteurs, des amplificateurs et des ADC. Le portefeuille de produits d'isolation de TI inclut :

- Transmetteurs RS-485
- Transmetteurs CAN
- Transmetteurs I2C
- Pilotes de grille
- Convertisseurs analogique-numérique
- Modules CC/CC
- Amplificateurs

Conclusion

Il ne fait aucun doute que nous allons entendre parler davantage de l'automatisation industrielle et de l'Internet des objets à l'avenir.

Au cours de la prochaine décennie, l'IdO industriel va révolutionner le secteur industriel : Il a déjà commencé à transformer de grandes industries telles que la fabrication et le transport. Grâce à l'expansion de l'intégration de l'IdO à de nombreux autres secteurs, le marché de l'IdO industriel a des perspectives de croissance immenses - des prévisions chiffrent sa valeur à près de 320 milliards d'USD d'ici 2020.
 
Quels que soient les chiffres définitifs avérés, les technologies d'isolation sont amenées à jouer un rôle clé.