Avantages de la communication Modbus numérique par rapport à la transmission de signal analogique

Le câble USB Vaisala peut être utilisé avec le Raspberry Pi.

Bien que les sondes analogiques et la technologie d'acquisition de données offrent beaucoup de possibilités, elles comportent également certains risques. Modbus est un protocole de communication numérique qui résout bon nombre de ces problèmes. Dans ce premier d'une série de trois articles de blog sur Modbus, nous présentons ce protocole de bus de terrain établi, discutons de ses avantages et examinons comment il est implémenté dans les appareils Vaisala.

Qu'est-ce que Modbus ?

Modbus a été développé en 1979 par Modicon. Il s'agit de l'un des protocoles de bus de terrain les plus anciens disponibles. L'objectif initial était de créer un protocole ouvert. Grâce au succès de cette stratégie, Modbus est aujourd'hui considéré comme un protocole standard industriel. Il est supporté par la majorité des marques de contrôleurs logiques programmables (PLC), car aucune licence ni matériel propriétaire n'est requis, permettant ainsi une implémentation libre du système de contrôle. Les produits Vaisala utilisent soit Modbus RTU, basé sur le protocole RS-232 ou RS-485, soit Modbus TCP/IP, qui utilise un réseau Ethernet. Un inconvénient potentiel de Modbus, notamment lors de la communication via des connexions série (RS-485), est que, dans une configuration avec plusieurs fournisseurs utilisant des appareils de différentes marques sur le même réseau, des problèmes de compatibilité peuvent survenir entre ces différentes marques.

Vaisala Indigo201, capteur de mesure analogique

La plateforme Vaisala Indigo est largement utilisée dans une variété d'applications industrielles exigeantes. Le produit consiste en un capteur de mesure de données analogiques connecté à une sonde intelligente et remplaçable, qui mesure des variables telles que l'humidité relative, la température, la température de point de rosée, le dioxyde de carbone ou la concentration de peroxyde d'hydrogène. Toutes les mesures et calculs sont effectués numériquement par la sonde compatible Indigo, qui peut également fonctionner comme un appareil autonome sans le capteur de mesure. La sonde transmet les données au capteur de mesure, qui les envoie ensuite sous forme analogique à un automate programmable (PLC).

Problème avec la transmission de signal analogique

Typiquement, une sonde d'humidité numérique, dans ce cas une Vaisala HMP3, est équipée de deux capteurs — un pour la mesure de la température, par exemple un capteur PT100, et un pour l'humidité relative, par exemple un capteur Vaisala HUMICAP®. En réalité, ces capteurs mesurent des variations de résistances ou de capacité. La sonde convertit les signaux analogiques en données numériques, effectue les calculs nécessaires pour la température et l'humidité relative, puis envoie les données numériques précises au capteur de mesure Indigo201. Ce dernier reconvertit ensuite le signal en une forme analogique pour le transmettre via un câblage analogique à un PLC. Là, il est à nouveau converti en données numériques pour traitement et stockage.

Comme prévu, la conversion des données numériques en une forme analogique dans le capteur de mesure, puis de retour en une forme numérique dans le PLC ou un autre système de contrôle, introduit des sources d'erreur supplémentaires. Garantir des mesures précises est crucial tant du point de vue qualitatif que réglementaire. Une solution pour minimiser ces erreurs consiste à utiliser la communication numérique. C'est ici que Modbus intervient.

Avantages de Modbus

Les mêmes sondes pouvant être utilisées avec Indigo201 sont également compatibles avec le protocole de communication numérique Modbus RTU. Étant donné que Modbus utilise une communication numérique, la sonde peut en plus de l'humidité relative et de la température mesurer de nombreux autres paramètres, tels que la température de point de rosée ou de gel, l'humidité absolue, le rapport de mélange, la température de humidité, l'enthalpie, ainsi que d'autres informations comme l'état de l'appareil, le numéro de série et le hash de sécurité. En permettant au maître Modbus de vérifier l'état du hash de sécurité, vous pouvez vous assurer que le capteur n'a pas été manipulé et que la configuration de la sonde n'a pas été modifiée. Il est également possible de connecter plusieurs sondes au même réseau. Avec un système analogique, cela nécessiterait une installation considérable de câblage supplémentaire et de modules d'entrée/sortie dans le système PLC. Modbus réduit également le risque d'erreurs de données en minimisant les conversions entre analogique et numérique. C'est donc une option fantastique pour la transmission de données numériques.

Le capteur de mesure n'est pas seulement un convertisseur de protocole analogique-numérique

Bien que les sondes compatibles Indigo puissent être utilisées comme appareils de mesure autonomes, la meilleure convivialité est souvent obtenue avec un capteur de mesure qui offre une interface utilisateur locale, un affichage, diverses options d'alimentation et certains avantages de la communication numérique. Le capteur Indigo202 utilise la même communication Modbus RTU que la sonde, et les capteurs de la série Indigo500 peuvent communiquer via le protocole Modbus TCP/IP.

Configuration avec Modbus

Dans le deuxième article de notre série de blogs sur Modbus, nous vous montrons dans une courte vidéo d'introduction comment commencer. Nous abordons les thèmes des tests, de la configuration, puis du développement de prototypes et de la mise en service.
Vous pouvez regarder cette courte vidéo ici.

Développement de prototypes

Une fois que vous avez configuré la communication entre votre ordinateur et les sondes, vous pouvez les connecter à vos systèmes. La prochaine étape consiste généralement à développer un prototype. Par exemple, la plateforme Raspberry Pi, équipée de ports USB pour connecter des câbles Vaisala pour tester Modbus RTU et d'une connexion LAN pour tester Modbus TCP/IP. Les langages recommandés sont Python ou Node-RED, qui offrent tous deux des bibliothèques open source gratuites (PyModbus ou node-red-contrib-modbus) pour la communication avec Modbus.

La plateforme Raspberry Pi est adaptée aux tests, mais pas pour un environnement industriel. Vous aurez probablement besoin de quelque chose de plus robuste, comme un PLC. Selon le modèle, le PLC peut également nécessiter un module séparé pour fournir l'accès RS-485.

Paramètres de communication Modbus

Pour éviter des problèmes de communication, tous les appareils d'un réseau doivent utiliser les mêmes paramètres de communication et disposer d'adresses Modbus uniques, qui doivent être configurées manuellement. Le protocole Modbus utilise des codes de fonction pour échanger des valeurs entre le maître Modbus et les esclaves. Par exemple, le maître peut transmettre la valeur de pression de processus à la sonde, qui l'utilise pour effectuer une mesure plus précise de l'humidité. Étant donné que les registres Modbus sont spécifiques à chaque fournisseur, les valeurs peuvent être trouvées à différentes adresses selon le fabricant. Un autre problème potentiel à surveiller : alors que Modbus numérote ses registres à partir de 1, certains systèmes Modbus utilisent des valeurs commençant à zéro. Cela peut nécessiter quelques essais et erreurs. Les produits Vaisala vous assistent ici avec des registres de test pour des valeurs entières, des nombres à virgule flottante et des chaînes de texte.

Mise en service du nouveau système

Voici une liste de contrôle à suivre lors de la mise en service :
- Les paramètres de communication doivent être corrects
- Le câblage doit être correctement connecté, avec une masse de signal passant par son propre conducteur dans le câble, et non par le boîtier de l'appareil
- Toutes les adresses des esclaves doivent être uniques en cas d'utilisation de plusieurs appareils
Après avoir effectué ces premières vérifications, vous pouvez tester si les appareils esclaves répondent à la requête Modbus. Si aucune réponse n'est reçue, essayez de commencer la communication avec un autre maître Modbus, comme votre PC ou un câble de service. Cela peut aider à identifier la cause du problème. La prochaine étape consiste à vérifier si vous avez reçu la réponse attendue. Si ce n'est pas le cas, vérifiez les registres de test pour vous assurer que vous demandez des informations à la bonne adresse et, dans le cas de valeurs à virgule flottante, que l'ordre des octets est correct.

Communication avec un PLC

Chaque marque de PLC a sa propre façon d'implémenter les blocs fonctionnels et les bibliothèques pour la communication Modbus. Il n'est donc pas possible de donner des instructions générales pour la création de la logique de communication. Cependant, voici deux brèves présentations pour établir une communication réussie avec deux PLC largement utilisés :
Guide Modbus RTU pour Micro820 d'Allen-Bradley
Guide Modbus RTU pour Siemens S7-1200

Fin de l'installation

Après avoir effectué toutes les mesures correctives nécessaires, vous devriez recevoir la réponse attendue, c'est-à-dire que le système réagit correctement, sans erreur de transmission. Si toutefois des problèmes persistent après ces premières étapes, il est probablement temps de contacter le fabricant de l'appareil esclave pour examiner le problème.

Introduction à Vaisala viewLinc

Dans le troisième et dernier article de cette série sur Modbus, nous examinons Vaisala viewLinc, un système de surveillance numérique. Grâce à la possibilité du protocole de communication, il est idéal pour Modbus. Étant donné que la conversion analogique-numérique n'a lieu qu'au point de mesure, l'utilisation de viewLinc avec Modbus permet une collecte et un stockage de données extrêmement précis.

Applications typiques de viewLinc

Le système de surveillance continue Vaisala viewLinc est souvent utilisé dans des environnements réglementés, par exemple pour les produits pharmaceutiques et médicaux. La conformité à l'exigence réglementaire d'utiliser un système de surveillance séparé et redondant permet aux utilisateurs de prouver que des processus tels que le stockage de médicaments ont été réalisés conformément aux spécifications requises. Contrairement aux plateformes de contrôleurs logiques programmables (PLC), viewLinc n'est pas un système de contrôle — il sert à surveiller la collecte et le stockage des données, à envoyer des alarmes lorsque les valeurs mesurées dépassent les limites, et à fournir des données historiques détaillées pour prouver que les valeurs de processus ont été maintenues dans les limites requises.

Dans ces environnements réglementés, viewLinc est généralement utilisé pour surveiller la température et l'humidité dans les zones de production et de stockage où des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) sont généralement utilisés comme systèmes de contrôle. Étant donné que ces systèmes ne disposent pas de capteurs suffisamment nombreux pour fournir des informations détaillées nécessaires à la surveillance, viewLinc joue ce rôle. En tant que système entièrement numérique, viewLinc ne traite pas de données analogiques. Toute conversion analogique-numérique est effectuée par les capteurs situés ou à proximité du point de mesure, permettant une transmission et un traitement précis des données numériques. Étant donné que la communication numérique est devenue la norme pour les systèmes de surveillance en environnements de sciences de la vie, les câbles longs et les réseaux de thermocouples nombreux appartiennent désormais au passé.

Utilisation de viewLinc pour des applications non numériques

Bien que la transmission de données numériques soit généralement préférée dans les environnements fortement réglementés, viewLinc dispose également d'un enregistreur de données universel acceptant les entrées analogiques. Cela permet d'utiliser dans les installations des appareils de mesure anciens ou spécialisés qui ne fournissent que des valeurs analogiques pour des paramètres que les enregistreurs de données Vaisala ne proposent pas autrement. Cette capacité à accepter presque toutes les mesures est également avantageuse lorsque les paramètres mesurés minimisent les risques d'erreur liés à l'étalonnage en boucle ou à l'étalonnage sur site. Un bon exemple dans ce contexte est la mesure de pression différentielle dans viewLinc, souvent utilisée en salles blanches. Dans ces zones, la haute pression est utilisée pour assurer un flux d'air constant dans les parties plus sales de l'installation, afin de maintenir la zone propre en empêchant le flux de particules en amont.

Les mesures de pression différentielle sont effectuées dans un panneau à proximité du logger. Cela permet d'utiliser de courts câbles, réduisant ainsi l'impact du câblage sur le signal analogique et minimisant les erreurs. Des appareils de calibration stables et fiables peuvent facilement être intégrés dans la zone de pression différentielle, ce qui est plutôt l'exception que la règle. Pour les mesures en salle blanche, la communication numérique est plus utile, notamment lorsque l'étalonnage en boucle est difficile à réaliser en raison de câbles plus longs ou de problèmes avec la référence d'étalonnage, ou lorsque le signal de l'appareil est trop complexe en mode analogique. Un exemple en est le compteur de particules, essentiel pour déterminer la propreté de la pièce.

Connexion de viewLinc avec Modbus

Les compteurs de particules fournissent des données de processus complexes qui ne peuvent pas être facilement transmises par un signal analogique, ce qui les rend beaucoup plus adaptées à un signal numérique. Ces données numériques peuvent être transmises immédiatement. Elles n'ont pas besoin d'être converties en signaux analogiques puis reconverties — elles nécessitent simplement un chemin numérique direct vers le système viewLinc, et ce chemin est Modbus. Pour simplifier la conversion d'un appareil Modbus dans viewLinc, nous avons créé une bibliothèque de modèles intégrée au système. Des appareils complexes comme les compteurs de particules peuvent par exemple être ajoutés simplement en sélectionnant le bon modèle. Il est également possible de créer et d'enregistrer de nouveaux modèles, que vous pourrez réutiliser à volonté.

La communication numérique reste précise sur de longues distances. Elle réduit le nombre d'étalonnages nécessaires, augmente la précision de l'étalonnage, et vous permet simplement d'envoyer le logger à un laboratoire d'étalonnage pour le remplacer par un appareil préétalonné pour votre processus spécifique. Le système viewLinc dispose d'une fonction de capteur analogique, mais celle-ci n'est utile que dans les cas où aucune autre option n'est disponible. C'est pourquoi viewLinc privilégie, dans la mesure du possible, le protocole de communication Modbus.