EP0792501B1 - Device for adapting hart actuators or sensors to a local area network, and method for using same - Google Patents
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- EP0792501B1 EP0792501B1 EP95940321A EP95940321A EP0792501B1 EP 0792501 B1 EP0792501 B1 EP 0792501B1 EP 95940321 A EP95940321 A EP 95940321A EP 95940321 A EP95940321 A EP 95940321A EP 0792501 B1 EP0792501 B1 EP 0792501B1
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- network
- hart
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- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C19/00—Electric signal transmission systems
- G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
Definitions
- the present invention relates to a device for adapting "HART" type sensors or actuators (registered trademark) with a network industrial premises, for example of the "FIP” type or of the “PROFIBUS” type, and a method of implementing this device.
- the sensors used in automation use a 4-20 mA output to transmit their measurement.
- the current of 4 mA corresponds to the minimum measured value and 20 mA to the value maximum.
- HART uses the BELL 202 communication standard which based on frequency modulation signal transmission with 2 specific frequencies.
- the communication speed is 1200 baud.
- the "FIP” network is standardized in France by the Technical Union of electricity or U.T.E. and the documents relating to this standard bear the references C46-601, PrC46-602, PrC46-603, PrC46-604, C46-605, PrC46-606, C46-607, C46-637, and C46-645.
- the local network can also be a network of the type “PROFIBUS” as described in the article entitled “Kommunikation auf der Instrumentierungsebene ”by Walter Borst (Elektronik, vol. 40, number 20, 1st October 1991, pages 82-86, XP 000265899).
- the object of the invention is to establish communication between the "FIP” network and "FIP" sensors and actuators as well as with sensors and "HART" actuators.
- the present invention relates to a device for adapting "HART" type sensors or actuators with an industrial local network, characterized in that it comprises a first stage of galvanic isolation, a filter amplifier, a formatting discriminator, a modem restoring the coded digital information, a microcontroller programmed to translate messages in local network language, an interface circuit and a second galvanic isolation stage, connected in series, the first galvanic isolation stage being connected to the sensor and the second galvanic isolation stage being connected to the local network.
- the local network can be a "FIP” network or a "PROFIBUS" network.
- sensors and actuators are “seen” the same way by the network user.
- the implementation of all the sensors and actuators compatible with the "HART" protocol become possible. All the digital information produced by a sensor passes through the local network. The exploitation of all the intelligent functions can be done from anywhere on the network.
- the device of the invention must make it possible to establish communication between a local industrial network "FIP” 10 and “FIP” sensors 11 and “FIP” actuator 12, as well as with sensors “HART” 13 and actuator "HART '14.
- the local industrial network "FIP" makes it possible to connect the automation components by a single cable which adopts a bus structure.
- the first goal is to save on wiring compared to wire to wire links to a multiple input acquisition system.
- the media used are the shielded two-wire pair or optical fiber.
- the network access mode is managed as illustrated in FIGS. 2A and 2B, on which are represented a bus arbiter AB and ST1 stations .... STn.
- the bus arbiter manages the communication. He knows the stations transmitters of data and the frequency of each data. For example, as shown in Figure 2A, give the right to speak at the station ST2. All stations listen. ST1 and ST3 stations are interested here by the message sent by the station ST2, not the others.
- the station ST2 transmits its message, stations ST1 and ST3 receive it simultaneously. Bus referee go to the next call in due time.
- FIG. 3 illustrates a "HART" sensor.
- the microprocessor 23 incorporated into the sensor, constitutes "intelligence" which brings new functions: linearization of the curve, change of scale, etc.
- the non-volatile memories 22, 24 retain the settings, the coefficients and characteristics of the module.
- the output 29 of the pressure information is presented under analog form thanks to the digital-analog converter 26 which delivers a current varying from 4 to 20 mA. All digital information remains accessible digitally and in both directions via the digital communication module 27 which superimposes "1" and "0" on the output current.
- FIGS 4 and 5 illustrate the coding principle of "HART" information, with adapter 32 to the "FIP” network 33.
- the sensor or actuator 30 is powered by a power supply continuous 31 (usually 24 Volts). Depending on the value of the quantity physics measured by the sensor, a current having a value of 4 to 20 mA circulates in resistors R1 and R2. A weak sinusoidal signal I is superimposed on this current. As shown in Figure 5, a logical "1" is consisting of a sinusoid period at 1200 Hz, a logical "0" is formed a sinusoid at 2200 Hz of identical duration. Reference 34 corresponds to access to other users.
- the sequence of bits forms bytes which are coded in ASCII.
- a series of characters forms a message.
- the "HART" protocol provides for number of standardized messages that make up the questions and answers necessary for dialogue with the whole range of sensor-actuators.
- the adapter device of the invention is illustrated in FIG. 6, the references considered in FIG. 4 being preserved.
- This device includes a first galvanic isolation stage 35, a filter amplifier 36, a formatting discriminator 37, a modem 38 restoring the information digital coded, a microcontroller 39 programmed to translate the messages in “FIP” language, a known “FIP circuit” 40 serving as an interface with the "FIP” network, and a second stage of galvanic isolation 41.
- This adapter device collects a voltage across the terminals of R1 proportional to the current 4-20 mA, as well as the sinusoidal voltage previously described.
- the first stage of galvanic isolation 35 allows transmit the alternating current without letting the DC pass. These signals are very low because the value of resistance R1 must be chosen the lowest possible. It is therefore necessary to amplify them.
- Amplifier 36 forms a filter bandpass to improve the signal to noise ratio.
- the sinusoids V1 represented in FIG. 7A are transformed into slots V2, represented in FIG. 7B, by the discriminator 37 then presented at the input of modem 38. This reconstitutes the "1" and the "0" logic and directs them to the serial input of microcontroller 39.
- This microcontroller can reconstruct the "HART" messages, by decipher the content and translate it to make it available to the "FIP" network 33.
- the dialogue also works the other way. That is to say from the microcontroller 39 to the modem 38, then from the modem 38 to the insulation galvanic 35. The message is then injected into the current loop and received by the sensor or actuator 30.
- the microcontroller 39 can exchange data with the "FIP" network 33 thanks to one of the integrated circuits specially designed for this network (for example the Fullfip circuits designed by Cegelec, Fipiu by Telemechanics).
- Galvanic isolation 41 on the "FIP" side, is usually made with a transformer or an optical fiber.
- the software implanted in the microcontroller works in the way illustrated in Figures 8, 9 and 10.
- Figure 10 illustrates the Analyze-Command flowchart (module 54).
- the action considered corresponds to a letter R, M, A, F, U whereas AT each letter (tests 60 to 65) corresponds to an associated treatment (modules 66 to 71).
- Figure 11 shows an example of using adapters in the field of maintenance.
- a microcomputer 75 adapters 76, 77, 78 respectively connected to sensors 79, 80 and 81.
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Description
La présente invention conceme un dispositif d'adaptation de capteurs ou d'actionneurs de type "HART" (marque déposée) avec un réseau local industriel, par exemple du type "FIP" ou du type "PROFIBUS", et un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif.The present invention relates to a device for adapting "HART" type sensors or actuators (registered trademark) with a network industrial premises, for example of the "FIP" type or of the "PROFIBUS" type, and a method of implementing this device.
Depuis de nombreuses années les capteurs utilisés en automatisme utilisent une sortie 4-20 mA pour transmettre leur mesure. Le courant de 4 mA correspond à la valeur mesurée minimale et 20 mA à la valeur maximale.For many years the sensors used in automation use a 4-20 mA output to transmit their measurement. The current of 4 mA corresponds to the minimum measured value and 20 mA to the value maximum.
Les capteurs et actionneurs sont aujourd'hui "intelligents". Il 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. Il existe malheureusement de nombreux codages différents, ce qui crée une incompatibilité entre eux.Sensors and actuators are now "intelligent". It is possible to communicate with them to implement advanced functions such as change of range, unit, testing possibilities, calibration, etc. The output information is digitized, which implies a notion of coding. Unfortunately there are many codings different, which creates an incompatibility between them.
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".To connect the automation devices (sensors, actuators, programmable logic controllers, computers, etc.) we use today preferably a field network, for example "HART" from Rosemount, or "FIP".
Le réseau "HART" est décrit dans un article intitulé "Le protocole de Communication "HART®" (paru dans le bulletin F 2695, Rev O-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). The "HART" network is described in an article entitled "The "HART®" Communication protocol (published in bulletin F 2695, Rev O-11/91, "The Smart Family", Rosemount). This protocol is also described in the article entitled "HART PROTOCOL" by Romilly Bowden (June 1991, available at Rosemount).
Un modem "HART" est décrit dans un article intitulé "HART' MODEM, ultra low power modem chip" (NCR 20C12, NCR "handbook").A "HART" modem is described in an article entitled "HART ' MODEM, ultra low power 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" (Highway Addressable Remote Transducer) is the name given by Rosemount to its communication protocol for transmitters "intelligent".
"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."HART" uses the BELL 202 communication standard which based on frequency modulation signal transmission with 2 specific frequencies. The communication speed is 1200 baud.
Les principales caractéristiques du "HART" sont les suivantes :
- Il 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.
- It allows both analog and digital communication. Access to digital data can be done while using the analog signal for regulation or measurement.
- The same set of electronic cards makes it possible to establish a digital link with "2-wire" transmitters or a total digital communication. Instructors can begin using "smart" transmitters with current analog systems, and then gradually transition to fully digital systems without the need to replace or modify site devices.
- Several communication devices (for example RS3 or the portable communication interface 268) can communicate simultaneously.
- The possibility of addressing the transmitters allows up to 15 devices to be connected on the same pair of twisted wires.
- All transmitters of the "Intelligent Family" use a common message structure.
Ceci permet aux dispositifs d'interfaçage de communiquer de la même manière avec les produits futurs ou actuels.This allows interfacing devices to communicate same way with future or current products.
Le réseau "FIP" est normalisé en France par l'Union Technique de l'électricité ou U.T.E. et les documents relatifs à cette norme portent les références C46-601, PrC46-602, PrC46-603, PrC46-604, C46-605, PrC46-606, C46-607, C46-637, et C46-645.The "FIP" network is standardized in France by the Technical Union of electricity or U.T.E. and the documents relating to this standard bear the references C46-601, PrC46-602, PrC46-603, PrC46-604, C46-605, PrC46-606, C46-607, C46-637, and C46-645.
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.The standardized industrial local network "FIP" is much more fast and complete than the "HART" network and above all it is standardized. However Rosemount smart sensors are very efficient and the fleet installed considerable.
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".On the other hand, the sensors compatible with the "FIP" network are still too few. The problem to be resolved therefore consists in carrying out a adapter which allows the use of "HART" sensors on the "FIP" network.
Il 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 l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique lui-même relié au réseau. La mise en oeuvre des fonctions "intelligentes" est impossible à distance. L'utilisateur doit se déplacer avec un outil de configuration (l'interface de communication portative 268) pour agir sur ces fonctions : étalonnage, changement de gamme, etc. ..There is currently no such adapter. The the most common solution is to use the standard 4-20 mA output of "HART" sensors by connecting it to the input of an analog-digital converter itself connected to the network. The implementation of functions "intelligent" is impossible from a distance. The user must move with a configuration tool (the portable communication interface 268) to act on these functions: calibration, range change, etc. ..
Le réseau local peut également être un réseau de type
« PROFIBUS » tel que décrit dans l'article intitulé « Kommunikation auf der
Instrumentierungsebene » de Walter Borst (Elektronik, vol. 40, numéro 20, 1er
octobre 1991, pages 82-86, XP 000265899).The local network can also be a network of the type
“PROFIBUS” as described in the article entitled “Kommunikation auf der
Instrumentierungsebene ”by Walter Borst (Elektronik, vol. 40,
La solution envisagée par les créateurs du protocole "HART" est évidemment différente. Il existe un réseau local industriel "HART" susceptible de mettre en oeuvre toutes les fonctionnalités des capteurs et actionneurs compatibles.The solution envisioned by the creators of the "HART" protocol is obviously different. There is a local industrial network "HART" likely to implement all the functionalities of the sensors and actuators compatible.
Ce réseau "HART" est peu utilisé car il présente les inconvénients suivants :
- il est lent (1200 bits) 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.
- it is slow (1200 bits) compared to the "FIP" network (1Mbit / s);
- it is a "proprietary" network, therefore not standardized, with the well-known drawbacks of this type of network: limited competition, therefore high prices, catalogs also limited, no guarantee of durability, etc.
Un aide intitulé « The digitisation of field instruments » de
Wilhem Van der Bijl (Journal A, volume 32, numéro 3, 1er octobre 1991, Anvers)
décrit un émetteur dit « SMART ». Celui-ci est séparé en deux parties : la
première étant un module capteur, et la seconde un module électronique. Le
premier module comprend un capteur, un convertisseur numérique-analogique
correspondant, et un moyen de traitement du signal. Le second module
comprend un moyen de traitement de données et une partie communication qui
produit une sortie appropriée analogique, numérique ou une combinaison des
deux. Cet article fait alors référence au protocole « HART » qui est un protocole
de communication numérique spécialement adapté pour permettre des capacités
de communications numérique et analogique 4-20 mA simultanées. Cet article
déclare alors que l'avantage d'une configuration utilisant des modules séparés
est qu'en cas de défaut, le module capteur peut être remplacé sans recalibration
ou reprogrammation. De plus, cet article envisage la possibilité d'échanger la
partie communication, lorsque l'on veut utiliser un autre protocole de
communication, par exemple « Fieldbus ».An aid entitled "The digitization of field instruments" by
Wilhem Van der Bijl (Journal A,
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". The object of the invention is to establish communication between the "FIP" network and "FIP" sensors and actuators as well as with sensors and "HART" actuators.
La présente invention conceme un dispositif d'adaptation de capteurs ou actionneurs du type "HART' avec un réseau local industriel, 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 codées, un microcontrôleur programmé pour traduire les messages en langage du réseau local, un circuit interface et un second étage d'isolation galvanique, reliés en série, le premier étage d'isolation galvanique étant relié au capteur et le second étage d'isolation galvanique étant relié au réseau local.The present invention relates to a device for adapting "HART" type sensors or actuators with an industrial local network, characterized in that it comprises a first stage of galvanic isolation, a filter amplifier, a formatting discriminator, a modem restoring the coded digital information, a microcontroller programmed to translate messages in local network language, an interface circuit and a second galvanic isolation stage, connected in series, the first galvanic isolation stage being connected to the sensor and the second galvanic isolation stage being connected to the local network.
Avantageusement le réseau local peut être un réseau "FIP" ou un réseau "PROFIBUS".Advantageously, the local network can be a "FIP" network or a "PROFIBUS" network.
La présente invention conceme également un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif, comportant les étapes suivantes :
- initialisation de la liaison série à 1200 Bauds ;
- chargement du programme du circuit interface ;
- lecture des informations fixes du capteur ;
- lecture des commandes arrivant par le réseau local ;
- décodage des commandes arrivées par le réseau local, traduction et émission d'une trame "HART" ;
- lecture des variables du capteur.
- initialization of the serial link at 1200 Bauds;
- loading the interface circuit program;
- reading fixed information from the sensor;
- reading of orders arriving via the local network;
- decoding of orders received by the local network, translation and transmission of a "HART"frame;
- reading of sensor variables.
Avantageusement, les étapes de lecture de données capteur comprennent les sous-étapes suivantes :
- émission d'une trame après calculs de parité et compactage ;
- réception d'une trame ;
- lecture et analyse de la trame reçue après décompactage.
- transmission of a frame after parity calculations and compaction;
- reception of a frame;
- reading and analysis of the frame received after unpacking.
Grâce à la présence des dispositifs 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 local. L'exploitation de toutes les fonctions intelligentes peut se faire à partir de n'importe quel point du réseau. Thanks to the presence of the inventive adapter devices who act as interpreters, sensors and actuators are "seen" the same way by the network user. The implementation of all the sensors and actuators compatible with the "HART" protocol become possible. All the digital information produced by a sensor passes through the local network. The exploitation of all the intelligent functions can be done from anywhere on the network.
- La figure 1 illustre l'objet de l'invention ;Figure 1 illustrates the subject of the invention;
- les figures 2A et 2B illustrent le fonctionnement du réseau "FIP";FIGS. 2A and 2B illustrate the operation of the "FIP" network;
- la figure 3 illustre le fonctionnement d'un capteur "HART";Figure 3 illustrates the operation of a "HART" sensor;
- les figures 4 et 5 illustrent le principe du codage des informations "HART";Figures 4 and 5 illustrate the principle of coding the "HART" information;
- les figures 6 et 7 illustrent le dispositif d'adaptation de l'invention ;Figures 6 and 7 illustrate the device for adapting the invention;
- les figures 8 à 10 représentent des organigrammes de fonctionnement du dispositif illustré à la figure 6 ;Figures 8 to 10 show flowcharts of operation of the device illustrated in Figure 6;
- la figure 11 illustre un exemple d'application du dispositif de l'invention.FIG. 11 illustrates an example of application of the the invention.
Dans la suite de la description on considérera à titre d'exemple un réseau local de type "FIP".In the following description, we will consider as an example a local network of the "FIP" type.
Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de l'invention
doit permettre d'établir la communication entre un réseau local industriel "FIP" 10
et des capteur "FIP" 11 et actionneur "FIP" 12, aussi bien qu'avec des capteurs
"HART" 13 et actionneur "HART' 14.As shown in Figure 1, the device of the invention
must make it possible to establish communication between a local industrial network "FIP" 10
and "FIP"
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 l'utilisateur 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 "FIP". L'exploitation de toutes les fonctions intelligentes peut se faire à
partir de n'importe quel point du réseau.Thanks to the presence of
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 câblage 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. The local industrial network "FIP" makes it possible to connect the automation components by a single cable which adopts a bus structure. The first goal is to save on wiring compared to wire to wire links to a multiple input acquisition system. The media used are the shielded two-wire pair or optical fiber.
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".The digital coding of information improves the measurement accuracy. On the other hand, this coding is necessary to establish the two-way dialogue with "intelligent" sensors and actuators.
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 stations ST1 .... STn.The network access mode is managed as illustrated in FIGS. 2A and 2B, on which are represented a bus arbiter AB and ST1 stations .... STn.
L'arbitre de bus gère la communication. Il connaít les stations émettrices de données et la périodicité 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 ST1 et ST3 sont ici intéressées par le message émis par la station ST2, pas les autres.The bus arbiter manages the communication. He knows the stations transmitters of data and the frequency of each data. For example, as shown in Figure 2A, give the right to speak at the station ST2. All stations listen. ST1 and ST3 stations are interested here by the message sent by the station ST2, not the others.
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.As shown in FIG. 2B, the station ST2 transmits its message, stations ST1 and ST3 receive it simultaneously. Bus referee go to the next call in due time.
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 l'Electricité.The functionalities of the "FIP" network are very numerous and it it is not possible to describe them here. As described above, this network is standardized in France by the Technical Union of Electricity.
La figure 3 illustre un capteur "HART".Figure 3 illustrates a "HART" sensor.
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,
- réétalonnage 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 type Bell 202 ;
- a
temperature sensor 20; - an analog signal to
digital signal converter 21; - a memory of the
detector module 22 with its coefficients and its characteristics; - a
microprocessor 23 allowing- linearization of the sensor,
- recalibration of the scale,
- amortization,
- diagnostic,
- use of physical units,
- communication;
- a
memory 24 of the electronic module with its set scale points and the configuration of the transmitter; - a
module 25 for local zero and scale adjustments; - a converter from the digital signal to the
analog signal 26; - a
digital communication module 27, for example of the Bell 202 type;
Le microprocesseur 23, incorporé au capteur, constitue
"l'intelligence" qui apporte de nouvelles fonctions : linéarisation de la courbe,
changement d'échelle, etc.The
Les mémoires 22, 24 non volatiles conservent les réglages, les
coefficients et les caractéristiques du module.The
La sortie 29 de l'information de pression se présente sous
forme analogique grâce 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 l'intermédiaire du
module de communication numérique 27 qui superpose des "1" et des "0" sur le
courant de sortie.The
Les figures 4 et 5 illustrent le principe de codage des
informations "HART", avec l'adaptateur 32 au réseau "FIP" 33.Figures 4 and 5 illustrate the coding principle of
"HART" information, with
Le capteur ou actionneur 30 est alimenté par une alimentation
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.The sensor or
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".The current output is not disturbed by these sinusoids because their average value is zero. These frequencies corresponding to the Bell standard 202 used in the United States to transmit logic signals over the network telephone. Bell 202 modem circuits exist and allow to transform these frequencies in logic signals "0" or "1".
La suite des bits forme des octets qui sont codés en ASCII. Une suite de caractères forme un message. Le protocole "HART" prévoit un certain nombre de messages normalisés qui constituent les questions-réponses nécessaires au dialogue avec toute la gamme des capteurs-actionneurs.The sequence of bits forms bytes which are coded in ASCII. A series of characters forms a message. The "HART" protocol provides for number of standardized messages that make up the questions and answers necessary for dialogue with the whole range of sensor-actuators.
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 "FIP", un "circuit FIP" connu 40 servant d'interface avec le
réseau "FIP", et un second étage d'isolation galvanique 41.The adapter device of the invention is illustrated in FIG. 6,
the references considered in FIG. 4 being preserved. This device includes
a first
Ce dispositif adaptateur recueille aux bornes de R1 une tension
proportionnelle au courant 4-20 mA, ainsi que la tension sinusoïdale
précédemment décrite. Le premier étage d'isolation galvanique 35 permet de
transmettre le courant alternatif sans laisser passer le continu. Ces signaux sont
très faibles car la valeur de la résistance R1 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.This adapter device collects a voltage across the terminals of R1
proportional to the current 4-20 mA, as well as the sinusoidal voltage
previously described. The first stage of
Les sinusoïdes V1 représentées en figure 7A, sont
transformées en créneaux V2, représentés en figure 7B, par le discriminateur 37
puis présentées à l'entrée du modem 38. Celui-ci reconstitue les "1" et les "0"
logiques et les dirige vers l'entrée série du microcontrôleur 39.The sinusoids V1 represented in FIG. 7A, are
transformed into slots V2, represented in FIG. 7B, by the
Ce microcontrôleur peut reconstituer les messages "HART", en
déchiffrer le contenu et le traduire pour le mettre à la disposition du réseau "FIP"
33.This microcontroller can reconstruct the "HART" messages, by
decipher the content and translate it to make it available to the "FIP"
Le dialogue fonctionne également dans l'autre sens. C'est-à-dire
du microcontrôleur 39 vers le modem 38, puis du modem 38 vers l'isolation
galvanique 35. Le message est ensuite injecté sur la boucle de courant et reçu
par le capteur ou l'actionneur 30.The dialogue also works the other way. That is to say
from the
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.The
Le logiciel implanté dans le microcontrôleur travaille de la façon illustrée sur les figures 8, 9 et 10. The software implanted in the microcontroller works in the way illustrated in Figures 8, 9 and 10.
La figure 8 illustre l'organigramme de fonctionnement du programme du microcontrôleur, 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) ;
- décodage des commandes arrivées par le réseau "FIP", traduction et émission d'une trame "HART" (module 54) ;
- lecture des variables du capteur (module 55).
- initialization of the serial link at 1200 Bauds (module 50);
- loading the program of the "FIP" circuit (module 51);
- reading of fixed information from the sensor (module 52);
- reading of orders arriving via the "FIP" network (module 53);
- decoding of orders received by the "FIP" network, translation and transmission of a "HART" frame (module 54);
- reading of the sensor variables (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. Il comprend les 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 décompactage (module 58) ;
- transmission of a frame after parity calculations and compaction (module 56);
- reception of a frame (module 57);
- reading and analysis of the frame received after unpacking (module 58);
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).Figure 10 illustrates the Analyze-Command flowchart
(module 54). The action considered corresponds to a letter R, M, A, F, U ...... AT
each letter (
Ce logiciel permet donc :
- la lecture de la demande transmise par le réseau "FIP" ;
- l'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.
- reading the request transmitted by the "FIP"network;
- sending the corresponding command to the sensor or actuator in "HART"language;
- reading the response;
- translating the response and making the data available to the "FIP" network, which is responsible for automatically transmitting it.
Toutes les applications courantes en automatisme peuvent être envisagées (acquisition de mesures, régulation, supervision, maintenance des capteurs, etc..).All common applications in automation can be envisaged (acquisition of measurements, regulation, supervision, maintenance of sensors, etc.).
La figure 11 illustre un exemple d'utilisation des adaptateurs
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.Figure 11 shows an example of using adapters
in the field of maintenance. In this figure are represented a
A partir du micro-ordinateur, il est possible de réaliser :
- les mesures et l'enregistrement 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 journal 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. Il renseigne également les autres utilisateurs de l'indisponibilité de ce capteur durant toute l'opération.
- the measurements and recording of the quantities measured by the sensors with the physical unit, the time constant, the percentage of the range, chosen remotely by the user;
- maintenance operations by reading the indications stored for this purpose in the sensor;
- sensor test operations (periodic or triggered by the operator);
- the edition of a newspaper with the time of the incidents, their nature, the cause, the remedy brought;
- remote adjustment and calibration operations become possible using "manifolds" (these are remotely controllable valves). The network is responsible for transmitting control orders. It also informs other users of the unavailability of this sensor during the entire operation.
Claims (3)
- Device for adapting sensors or actuators of the "HART" type with a local industrial network of the "FIP" or Profibus type, characterized in that it comprises a first isolation stage (35), a filter amplifier (36), a shaping discriminator (37), a modem (38) restoring coded digital informations, a microcontroller (39) programmed for translating the messages into the language of the local network, an interface circuit (40) and a second isolation stage (41), connected in series, the first isolation stage (35) being connected to the sensor (30) and the second isolation stage (41) to the local network (33).
- Method for using the device according to claim 1, characterized in that the microcontroller (39) of said device dialogues with the local network (33) and the sensor (30), according to the following stages:initialization of the 1200 Bauds series link (module 50),loading the interface circuit program (module 51),reading fixed informations of the sensor (module 52),reading controls arriving with the local network (module 53),decoding controls which have arrived through the "FIP" or Profibus network,translation and emission of a "HART" frame (module 54),reading sensor variables (module 55).
- Method according to claim 2, characterized in that the sensor data reading stages (modules 52 and 55) comprise the following substages:emission of a frame following parity and compacting calculations (module 56),reception of a frame (module 57),reading and analysis of the frame received after decompacting (module 58).
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