FR2612019A1 - Reseau a bus et organes de mesure ou de commande relies au bus - Google Patents

Abstract

LE RESEAU COMPORTE UN BUS A DEUX LIGNES, POUVANT ETRE UNE PAIRE TORSADEE BLINDEE 10, ET PLUSIEURS ORGANES OU STATIONS 12 RACCORDES AU BUS. LE BUS EST MUNI D'UN TRANSFORMATEUR D'ALIMENTATION GENERALE 22 ET CHAQUE ORGANE DU SYSTEME D'ALIMENTATION ELECTRIQUE EST COUPLE AU BUS PAR UN TRANSFORMATEUR 26. CHAQUE ORGANE 12 EST COUPLE AU BUS PAR UN TRANSFORMATEUR D'ISOLEMENT DESTINE AU TRANSFERT DES SIGNAUX NUMERIQUES ENTRE BUS ET ORGANE, A NOYAU DE FERRITE.

Description

Réseau à bus et organes de mesure ou de commande reliés au bus.

L'invention concerne de façon générale les systèmes comportant plusieurs organes tels que capteurs, actionneurs et automates qui échangent des signaux de données et de commande.

Dans la plupart des systèmes utilisés à l'heure actuelle, les organes sont reliés deux à deux par des lignes individuelles. Typiquement, les données arrivent de chaque capteur à un automate constituant l'organe central par une ligne individuelle et les instructions sont envoyées à chaque actionneur par une ligne qui lui est affectée. Les lignes individuelles peuvent également transporter l'alimentation électrique depuis l'automate, sous forme de courant continu, habituellement de 4 mA sous 20 Volts pour les capteurs.

Cette solution a divers inconvénients : la multiplicité des liaisons point à point par câble de coût élevé complique et alourdit le système. Les signaux sont souvent transmis sous forme analogique. I1 n'y a pas d'isolement des signaux par rapport à la ligne.

L'invention a pour objet un système d'un autre type, constitué par un réseau comportant un bus de réseau à deux lignes, avantageusement constitué par une paire torsadée blindée, et les organes raccordés au bus.

On peut espérer de ce type de réseaux, pour lequel n'existe à ce jour aucune normalisation, une intégration accrue et une endurance meilleure. Mais jusqu'à présent il est apparu nécessaire d'y séparer complètement les moyens d'alimentation du bus de communication, ce qui retire au système une part des avantages qu'on pouvait en espérer. Au surplus, les modes de couplage envisageables paraissent, à première vue, onéreux et pour la plupart n'assurent pas d'isolement galvanique.

L'invention vise notamment à fournir un réseau de commande et/ou de mesure du type comprenant un bus de réseau à deux lignes (habituellement constitué par une paire torsadée blindée) et plusieurs organes ou stations raccordés aux bus, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il autorise le transfert de signaux et l'alimentation sur un même bus et donc allège considérablement le système.

Dans ce but, l'invention propose notamment un réseau dont le bus est muni d'un trasformateur d'alimentation en courant électrique alternatif de puissance et dont chaque organe est couplé au bus par un transformateur d'isolement destiné au transfert de signaux numériques entre bus et organe, à fréquence de coupure élevée, compatible avec la fréquence des signaux de communication transitant sur le bus. Ceux des organes qui nécessitent une alimentation électrique sont couplés au bus par un transformateur et avantageusement au travers d'inductances de filtrage afin de ne pas désadapter la ligne de transmission.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe du réseau montrant le bus et un seul des organes couplés au bus
- les figures 2 et 3 sont des schémas de principe montrant des circuits utilisables pour coupler un organe au bus et assurer respectivement l'émission et la réception de données à partir de l'organe et vers lui
- la figure 4 est un schéma montrant une réalisation possible d'un transformateur de couplage et d'isolement utilisable pour le transfert des signaux entre le bus et chaque organe.

La figure 1 montre le bus 10 d'une réseau et un seul des oganes 12 qui lui sont reliés. Cet organe est de nature quelconque (capteur, actionneur ou automate), propre à émettre vers le bus et à en recevoir des signaux sous forme numérique, habituellement à une cadence de l'ordre du MHz et nécessitant une alimentation électrique. Naturellement, certains des organes peuvent ne nécessiter que certaines des liaisons dont est muni l'organe 12 qui sera décrit.

Le bus 10 représenté, destiné à assurer l'all- mentation en courant alternatif à basse tension (50 Hz ou 60 Hz sous 24 Volts par exemple) est constitué par une paire torsadée, souvent munie d'un blindage métallique. Lorsqu'on souhaite des vitesses de tranmission élevées, dépassant 1 MHz, on utilisera avantageusement un bus à isolement en polypropylène expansé et un blindage constitué d'un ruban en aluminium entouré par une tresse. Chacune des deux extrémités du bus est fermée sur une impédance adaptée, constituée par une résistance 14 en série avec un condensateur 16. La présence du condensateur, de 100 nF par exemple, en série avec la résistance, de 75 ohms par exemple, évite l'échauffement excessif de cette dernière par le courant d'alimentation.

Le circuit de fourniture de l'alimentation générale au bus comporte un transformateur abaisseur 18 muni d'un écran mis à la terre. Le secondaire 20 du transformateur est relié au bus par une double inductance de filtrage destiné à éviter la désadaptation de la ligne et qui, dans le mode de réalisation illustré, est constitué de quelques dizaines de spires bobinées sur un tore de ferrite 22.

Le primaire 24 du transformateur est relié à une alimentation en courant alternatif, par exemple 220 V à 50 Hz. Le rapport de tension peut être tel que la tension au secondaire 20 soit de 24 V. Chaque inductance peut avoir une valeur d'environ 10 mH.

Lorsqu'on recherche une grande fiabilité, cette alimentation simple peut être remplacée par un montage redondant.

Les moyens d'alimentation électrique locale de l'organe 12 à partir du bus 10 comportent un transformateur 26 similaire au transformateur 18 et dont le primaire est relié aux deux fils de bus par des inductances de filtrage. Comme dans le cas du transformateur d'alimentation générale 18, ces inductances peuvent être constituées de quelques spires bobinées sur un tore de ferrite 28.

Le secondaire du transformateur 26 est relié à un redresseur en pont 30 suivi d'un condensateur de filtrage 32. L'une des sorties du redresseur constitue la borne 0 de l'alimentation locale. L'autre borne alimente un régulateur de tension 34 qui fournit la tension V d'alimentation locale du composant actif 35
O de l'organe 12 (capteur, actionneur ou automate), indiquée par un cercle contenant une croix sur les figures 2 et 3.

Le transformateur d'isolement 36 destiné au transfert des signaux entre bus et organe 12 utilise avantageusement la paire torsadée elle-même comme primaire.

Dans le mode de réalisation montré en figure 4, le transformateur comporte un tore de ferrite 38 traversant une spire d'un premier sens d'un fil de la paire et une spire de sens contraire de l'autre fil de la paire 10. Le tore 38 porte également deux bobinages secondaires classiques 40 et 42 répartis tout autour du tore. Le bobinage 40 est affecté à l'émission depuis l'organe 12 et comportera généralement deux ou trois spires. Le bobinage 42 est affecté à la réception de signaux par l'organe 12 et comportera souvent 10 à 15 spires.

Ce mode de couplage assure un excellent filtrage contre l'alimentation à 50 Hz et une bonne linéarité en fréquence, de 1 à 10 MHz environ. Mais le couplage d'un organe 12 ne peut être fait en fonctionnement, car il est nécessaire de couper la ligne pour réaliser les spires autour du tore 38.

Pour éviter cet inconvénient on peut également utiliser un transformateur de couplage constitué de deux noyaux de ferrite en forme de E emboitables sur une carcasse de réception de bobines secondaires. On peut par exemple utiliser des transformateurs actuellement disponibles dans le commerce dont la carcasse comporte trois branches. Une bobine d'émission sera placée sur la branche médiane, deux bobines de réception sur les branches latérales. Les bras de l'un des E du noyau sont placés dans des boucles successives de la paire torsadée puis la carcasse est bloquée entre les deux pièces constituant le noyau et ce dernier est retenu par des moyens classiques (étrier et ressort en U par exemple).

Il n'est même pas nécessaire de dénuder les fils de la paire : il suffit d'ouvrir localement leur blindage.

Le coupleur d'émission 44 interposé entre le composant actif 35 et le secondaire 40 peut avoir la constitution montrée en figure 2. Il comporte alors un amplificateur d'attaque 46 à deux sorties complémentaires (type RS 422 par exemple) qui reçoit des données émises par le composant actif 35. Les sorties de l'amplificateur 46 attaquent des portes 48 dont les entrées de validation reçoivent un signal TEN provenant du composant actif lorsque ce dernier doit émettre sur la ligne. Les portes 48 présentent un état haute impédance lorsqu'elles ne reçoivent pas le signal TEN de validation d'émission et un état haut et un état bas dépendant (en présence du signal TEN) du niveau d'entrée
TxD.

Une résistance de sécurité 50, d'une centaine d'ohms par exemple est placée entre les sorties des portes 48. En cas de défaut, elle charge le transformateur 36 pour ne pas perturber la ligne. Une résistance complémentaire 52, de valeur inférieure à la résistance 50, d'une vingtaine d'ohms par exemple, est placée en série avec le secondaire 40.

Le coupleur de réception 54 peut avoir la constitution montrée en figure 3 lorsque le secondaire 42 comporte deux bobinages 42a et 42b. Pour qu'il soit possible de travailler avec une seule tension d'augmentation, ce coupleur comporte deux comparateurs 56a et 56b. Chaque comparateur attaque une bascule TTL de type
D 58a, 58b. L'entrée du comparateur 56a qui ne reçoit pas le signal de réception est portée à une tension de référence de 4,8 V par exemple et permettant de détecter le front montant de chaque créneau de signal. Le comparateur 56b, dont la seconde entrée est par exemple portée & 0,2 V permet de détecter les fronts descendants.

La sortie du comparateur 56a attaque l'entrée d'horloge de la bascule 58a, dont l'entrée D est portée au niveau d'alimentation plus 5 V. La sortie Q de la bascule 58a attaque les entrées de remise à zéro des bascules 58a et 58b les entrées Q et /Q de la bascule 58b constituent la sortie de données RxD vers le composant actif 35.

Cette disposition permet de s'affranchir des temps d'établissement du couplage inductif et d'équilibrage de la ligne et de ne pas consommer d'éléments binaires (bits) de préambule dans les trames de données transmises.

On voit que les dispositions qui viennent d'etre décrites permettent de transmettre à la fois l'alimentation et les données sur une ligne bus en assurant l'isolement galvanique entre chaque organe et la ligne, d'arriver à des cadences de transmission élevés et de réduire la consommation de l'émetteur puisque le couplage peut titre mis à haute impédance. Enfin le couplage à la ligne peut être d'un coût très faible et, à condition d'utiliser un transformateur à noyau démontable, on peut effectuer un couplage alors que le dispositif est en service.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Réseau de commande ou de mesure comprenant un bus de réseau (10) à deux lignes et plusieurs organes (12) raccordés au bus, caractérisé en ce que le bus est muni d'un transformateur (20) d'alimentation en courant électrique alternatif de puissance et en ce que chaque organe est couplé au bus par un transformateur d'isolement (36) destiné au transfert de signaux numériques entre bus (10) et organe (12), à fréquence de coupure élevée, compatible avec la fréquence des signaux de communication transitant sur le bus, ceux des organes qui nécessitent une alimentation électrique étant couplés au bus par un transformateur (26).

2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que des inductances de filtrage (22,28) sont interposées entre les transformateurs d'alimentation (20,26) et le bus.

3. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le transformateur d'isolement (36) comporte un tore en ferrite (38) traversé par des spires de sens contraires des deux fils du bus (10) et portant des bobinages secondaires (40,42) reliés à des coupleurs d'émission et de réception (44,54) dudit organe.

4. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le transformateur d'isolement (36) comprend un noyau en ferrite en plusieurs assemblages ayant des branches engagées dans une boucle du bus et portant des bobinages secondaires reliés à des coupleurs d'émission et de réception (44,54) dudit organe.

5. Réseau selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le coupleur d'émission (44) comprend un amplificateur d'attaque (46) recevant les signaux et attaquant le secondaire (40) du transformateur d'isolement par l'intermédiaire de portes à trois états.

6. Réseau selon la revendication 5, caractérisé en ce que les sorties des portes à trois états (48) sont reliées par une résistance (50) de sécurité.

7. Réseau selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le coupleur de réception (54) comporte deux comparateurs (56a,56b) recevant chacun le signal provenant d'un demi-secondaire (42a, 42b) du transformateur d'isolement et attaquant un réseau de bascules (58a,58b).