Un module d’E/S est un sous-système dans un circuit intégré qui joue un rôle essentiel à la communication entre un système informatique et des dispositifs extérieurs. Il peut remplir de multiples fonctions, notamment :
- La communication entre dispositifs
- Contrôle et synchronisation
- Communication avec le processeur
- Détection des erreurs
- Mise en mémoire tampon des données
Grâce à ses capacités multifonctionnelles, les modules d’E/S améliorent également les capacités de plusieurs systèmes. Il est judicieux de savoir choisir le module d’E/S qui s’adapte à votre cas d’application. Nous proposons ce guide de choix qui traitera deux grandes familles de facteurs essentiels à la sélection d’un module d’E/S :
- Les facteurs techniques
- Les facteurs de conception
Facteurs techniques
La sélection du type de modules doit être basée sur les exigences techniques, d’une part, et sur le coût économique de la solution complète que vous souhaitez concevoir d’autre part. Nous recommandons, en outre, de collaborer avec un fournisseur agréé. Dans ce qui suit, nous allons lister les considérations à prendre en compte lors de la conception.
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Modules d’entrées numériques
On utilise généralement des modules 24 VDC et il existe rarement des cas d’application qui nécessitent l’utilisation d’une autre tension dans les entrées numériques (exemple, exposition à des bruits électromagnétiques élevés). Certains avantages justifient l’utilisation de modules 24 VDC comme :
- C’est une tension assez basse qui n’engendre pas de risques.
- Ces modules ne produisent pas d’interférences et vous pourrez, également, mélanger les entrées numériques et les entrées analogiques 4-20 mA dans le même câble.
- Typiquement, le module est moins coûteux et il peut présenter une densité élevée (nombre d’entrées par module).
- Il est mieux adapté aux entrées haute fréquence ou aux zones à risque d’explosion.
- Il est possible de connecter des capteurs avec transistor de sortie (PNP ou NPN).
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Modules de sorties numériques
La tension de sortie la plus utilisée est de 24 VDC, mais nous pouvons trouver des exigences techniques qui requièrent une autre valeur comme 120 VAC / 240 VAC / 125 VDC. D’autre part, il est nécessaire de prendre en compte les tensions spécifiées pour les dispositifs de champ (solénoïdes, MCC, etc.) et s’il y a des relais intermédiaires ou non. Généralement, la spécification technique définit les différentes tensions de champ mais n’indique pas quelle doit être la valeur de la tension de sortie de l’automate.
La donnée fondamentale pour définir le type de module est la puissance de l’élément final (tension d’alimentation et consommation de courant en ampères). Cette information vous permettra également de savoir s’il faut ou non utiliser des relais intermédiaires. Dans les applications avec des fréquences de commutation élevées, une autre donnée est fondamentale : la fréquence maximale de sortie.
Un autre aspect à considérer est le type de composant interne du module (relais, transistor, triac, etc.). Les sorties numériques à relais, bien qu’elles soient adaptées à l’utilisation simultanée de différentes tensions, ont de nombreuses limitations qui doivent être analysées correctement. Certaines de ces limitations sont:
- La faible fréquence de commutation.
- Problème de surchauffe possible dans les applications avec des modules à haute densité dont les sorties restent actives pendant de longues périodes de temps.
- MTBF faible.
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Relais interposés
L’utilisation de relais d’interposition est une pratique courante soit pour isoler électriquement l’armoire de commande des équipements de terrain ou pour d’autres raisons purement techniques telles que :
- La tension de champ est différente.
- La consommation de courant des éléments finaux est élevée.
- Utilisation d’une même sortie pour la commande de plusieurs éléments de terrain.
- Sortie avec un ou plusieurs contacts hors tension.
Il faut également tenir compte du fait que l’utilisation de relais d’interposition introduit un autre composant susceptible de tomber en panne, ce qui affecterait la disponibilité du système. Il est, donc, important d’en tenir compte lors de la conception de sorties numériques redondantes.
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Gamme des signaux analogiques
La gamme la plus utilisée, tant pour les entrées que pour les sorties analogiques, est celle de 4-20 mA. Beaucoup de ses avantages proviennent du fait d’avoir un zéro sous tension qui permet de diagnostiquer les défauts de la boucle de courant, comme une rupture de câble.
En outre, les signaux de courant sont généralement plus résistants au bruit électrique que les signaux de tension (0-10 VDC, 1-5 VDC) et peuvent fonctionner sur de longues distances (plus de 1 km si la puissance nominale est de 24 VDC). Il n’est pas recommandé de travailler avec des gammes de tension sur de longues distances et avec des boîtes de jonction intermédiaires car il existe un fort risque de chute de tension.
D’autres types d’entrées analogiques sont : la température et les RTD ou thermocouples. Ils ne doivent pas être utilisés si la distance à l’automate est importante à cause du risque d’erreur introduit par la résistance des câbles. Il est préférable d’utiliser des transmetteurs de température (RTD) avec un convertisseur 4-20 mA.
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Résolution des signaux analogiques
Normalement, une résolution de 12 bits est suffisante. En augmentant de 1 ou 2 bits, le prix du module augmente considérablement et est rarement justifié. Il ne s’agit généralement pas d’un facteur sensible, mais, dans tous les cas, vous devez veiller à respecter la spécification.
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Densité des modules (nombre de canaux)
Dans les signaux numériques, les densités les plus courantes sont de 16 et 32 canaux, et dans les signaux analogiques, elles oscillent entre 4 et 16. Le choix d’un type ou d’un autre dépend de plusieurs facteurs et il n’existe pas de règle générale :
- Comment effectuer le groupage et la distribution des signaux ?
- Quelle est l’architecture de redondance et combien de signaux simples et redondants y a-t-il ?
- Le nombre de signaux de chaque type, ainsi que l’existence de signaux de « sécurité intégrée », de signaux de sécurité intrinsèque, etc.
L’utilisation d’un module d’E/S à haute densité, par exemple, 32 ou 64 canaux, dépend des spécificités de la conception (distribution des E/S faite en fonction de l’emplacement des instruments et des équipements dans l’usine, s’il y a des E/S redondantes et/ou une logique 2 sur 3, s’il y a des raisons techniques dans la construction et le câblage du tableau électrique, etc.)
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Modules d’E/S numérique
Modules d’E/S analogique
Facteurs de conception
Dans cette partie nous traiterons les facteurs conceptuels de la sélection des modules d’E/S tels que la sécurité intrinsèque, l’isolation électrique, les E/S redondantes, etc.
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Isolation électrique
Il existe différents niveaux d’isolation dans les modules d’entrée/sortie (canal à canal, entre groupes de canaux, entre canal et masse, etc.). Les modules d’E/S standard ne sont pas isolés canal par canal, mais dans la plupart des cas, l’isolation entre groupes de signaux est généralement suffisante.
Il est généralement recommandé de ne pas mélanger la borne commune des modules avec la « masse ». Les modules d’E/S avec séparation galvanique entre les canaux ont un coût élevé, il est donc nécessaire de bien les appréhender. Si vous n’avez besoin d’isoler que quelques signaux, vous pouvez recourir à des isolateurs externes.
Si la spécification technique est très exigeante en termes d’isolation électrique, vous devez analyser plus en détail quelle est la meilleure solution technique et à quel coût (modules avec séparation galvanique, isolateurs externes et/ou relais intermédiaires, etc.)
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Diagnostic
Les modules avec fonctions de diagnostic des défauts internes nous offrent un intéressant plus, mais sont plus coûteux. C’est lorsque le temps d’arrêt de la machine ou du processus est important qu’il vaut la peine de payer ce coût supplémentaire car il permettra de réduire considérablement les temps de pannes.
Aujourd’hui, de nombreux fabricants intègrent déjà des fonctions de diagnostic standards, même dans les modules standards.
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Certification SIL
Si votre application nécessite un automate de sécurité, vous devez utiliser les modules à sécurité intégrée. Ces modules intègrent de nombreuses fonctions de diagnostic et possèdent une structure interne redondante avec une logique 1oo2D ou 2oo3D.
Il en va de même pour les relais de sécurité interposés car il s’agit de relais spéciaux et certifiés.
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Conditions extrêmes
De nombreux fabricants proposent des modules spéciaux pour travailler dans des conditions extrêmes (températures extrêmes, chocs et vibrations, poussière, etc.).
La température de fonctionnement du système de contrôle dans son ensemble est généralement définie dans la spécification technique. C’est une donnée très importante qu’il ne faut pas oublier lors de l’achat d’un module d’E/S.
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Zones dangereuses
Le cas typique est celui des raffineries ou usines de gaz. Ce type d’applications exige un niveau de formation élevé de la part de l’ingénieur concepteur. La conception de l’automate de sécurité ou du DCS (Distributed Control System) doit répondre à une série d’exigences techniques strictes.
Une solution très courante consiste à utiliser des E/S de sécurité intrinsèque. Dans le cas d’armoires de commande basées sur des PLC, il est fréquent d’utiliser la solution de sécurité intrinsèque qui présente des fonctionnalités supplémentaires comme la possibilité de placer l’armoire de commande dans une zone sûre sans risque d’explosion.
Dans les grandes installations, comme dans les raffineries, une autre solution consiste à pressuriser les salles de contrôle et les panneaux. Cela nécessite l’utilisation de câbles de terrain et d’instruments adaptés aux zones dangereuses.
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Fréquence de commutation
Les applications de contrôle du mouvement nécessitent des modules spéciaux qui peuvent fonctionner à haute vitesse. Pour les signaux numériques, les gammes DC permettent une plus grande vitesse de commutation et sont plus recommandées pour les applications qui nécessitent une rapidité d’exécution.
Selon le cas, vous pouvez utiliser des modules standards ou spéciaux. Si vous utilisez des entrées haute fréquence (par exemple, capables de lire des signaux KHz), il faut faire particulièrement attention au bruit électrique des autres câbles d’alimentation.
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Redondance
Le concept de redondance est vaste et doit être analysé profondément. Il existe plusieurs types d’architectures redondantes (TMR, QMR, etc.), chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. D’autre part, il faut distinguer la redondance qui vise à augmenter la sécurité de la redondance qui vise à augmenter la disponibilité.
La spécification doit définir le nombre de signaux d’E/S de chaque type, le nombre de signaux d’E/S qui sont redondants et le type de redondance ou de logique.
Bien que les bonnes pratiques de conception stipulent l’utilisation de contrôleurs redondants et des alimentations redondantes chaque fois que des E/S redondants sont utilisées, cela n’est pas toujours possible pour des raisons de coût.
Lors de la conception d’un système redondant, vous devez tenir compte des valeurs du MTBF (temps moyen entre les pannes). En général, ce temps diminue à mesure que la complexité du module augmente. Un autre aspect à analyser est la redondance des instruments et des éléments de terrain, car la redondance des E/S ne coïncide généralement pas avec la redondance sur le terrain.
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Distance
En fonction de la distribution des équipements sur le terrain, il peut être intéressant d’utiliser des racks d’E/S à distance à côté des éléments de terrain. Dans ces cas, l’objectif habituel est d’économiser le câblage. Dans les applications critiques (nucléaire, aéroports, etc.), l’objectif peut être d’obtenir une très haute disponibilité en plaçant les modules d’E/S redondantes dans des racks séparés de plusieurs centaines de mètres.
Dans les grandes installations, il est judicieux de répartir les contrôleurs et les modules d’E/S par zone. Ils communiqueront via le réseau de contrôle.
L’article Module d’E/S : Votre guide de choix exhaustif est apparu en premier sur IoT Industriel Blog.