L’automatisation industrielle consiste en l’utilisation de divers systèmes de contrôle pour faire fonctionner des équipements industriels, des processus de fabrication et des équipements de manutention, avec peu ou pas d’intervention humaine.

L’automatisation industrielle est de plus en plus déployée dans de nombreux secteurs industriels en raison de ses avantages multiples, tels que l’augmentation de la productivité, de la qualité et de la sécurité à faible coût.

Pourquoi recourir à l’automatisation industrielle ?

Bien que les ingénieurs et techniciens humains soient toujours responsables du bon déroulement des opérations dans une usine automatisée, le fonctionnement d’une pièce d’équipement est sous le contrôle d’un programme informatique fonctionnant sur un microcontrôleur intégré, un PC industriel ou un contrôleur logique programmable (PLC).

L’automatisation des processus industriels présente de nombreux avantages : Économie de l’énergie et des matériaux, amélioration de la qualité, garantie de l’exactitude et la précision des processus industriels, fonctionnement dans des environnements critiques (centrales nucléaires, par exemple) et réalisation d’économies considérables de main-d’œuvre.

Les robots industriels effectuent désormais de nombreuses tâches qui étaient auparavant effectuées par des humains, comme la soudure, la prise et l’assemblage. D’autre part, les systèmes de vision artificielle ont remplacé les inspecteurs du contrôle de la qualité.

L’usine connectée et l’Internet des objets (IoT)

L’étape suivante, après l’automatisation des différents processus industriels, consiste à s’assurer qu’ils fonctionnent tous ensemble sans problème et à en extraire les données quantitatives pertinentes et nécessaires.

L’usine automatisée moderne s’appuie sur un réseau industriel utilisant l’un des nombreux protocoles d’automatisation tels qu’Ethernet et Fieldbus pour assurer la connectivité au niveau de l’usine.

L’Internet des objets (IoT) place la barre plus haut en permettant l’intégration des machines et des systèmes industriels avec l’Internet. La version la plus récente du protocole de communication Internet, IPv6, avec son adressage de 128 bits, stipule que chaque appareil peut potentiellement avoir sa propre adresse IP. Ceci suggère une connectivité pratiquement illimitée, une collecte et une analyse massives des données dans le Cloud.

Dans l’usine intelligente du futur, les niveaux de la « pyramide » d’automatisation – du niveau de l’appareil à celui de l’entreprise – sont interconnectés, et les données relatives à la fabrication sont disponibles en temps réel pour la prise de décisions commerciales.

Isolation galvanique et automatisation industrielle

L’ajout d’un contrôle électronique et la connexion de plusieurs systèmes entre eux via un réseau présentent de nombreux avantages, mais posent également des problèmes et des défis. L’un d’entre eux est le défi de combiner des machines à haute tension et à courant élevé, comme les robots industriels et les machines à commande numérique (CNC), avec des systèmes d’acquisition de données à basse tension et à faible courant et des communications en réseau.

C’est dans cette problématique que s’inscrit la notion d’isolation galvanique.

L’isolation galvanique

L’isolation galvanique est la technique qui consiste à isoler les sections fonctionnelles des systèmes électriques pour empêcher le passage du courant entre elles. Aucun chemin de conduction direct (c’est-à-dire résistif) ne sera donc autorisé. Bien qu’il n’y ait pas de chemin résistif entre les sections, la puissance ou l’information est toujours transférée par des techniques capacitives, inductives, optiques ou autres.

Dispositif d’isolation

Un dispositif d’isolation fait passer 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 une faible fuite. Les dispositifs d’isolation sont un élément clé dans l’instauration de l’usine connectée et se trouvent partout dans la chaîne du signal : des capteurs et systèmes d’acquisition de données isolés individuellement jusqu’au réseau de communication à haut débit qui traverse toute l’usine.

Pourquoi l’isolation galvanique est-elle nécessaire dans l’automatisation industrielle ?

Assurer la sécurité

La protection des utilisateurs d’équipements électriques contre des tensions et des courants potentiellement mortels est une exigence clé dans toute conception électrique. Il existe un certain nombre de normes réglementaires, telles que la norme UL60950-1, qui régissent la sécurité des équipements électriques.

Une conception sûre comprend plusieurs niveaux de protection, notamment l’isolation, la mise à  terre et l’isolement. Dans une conception d’alimentation électrique hors ligne, par exemple, un transformateur assure une isolation inductive entre l’entrée AC et le reste du circuit.

En général, l’isolation galvanique peut être utilisée partout où des tensions potentiellement dangereuses sont présentes.

Prévention contre les différences de sol et boucles de terre

Le sol n’est pas le même en différents points du système, surtout lorsque ces systèmes sont très éloignés les uns des autres. Cela peut entraîner des erreurs, voire des défaillances dans un réseau numérique, car toute différence de référence au sol entre l’émetteur et le récepteur réduit la marge permettant d’identifier correctement un « 0 » ou un « 1 » logique.

Dans les circuits analogiques, une différence de masse en courant continu ajoute un terme d’erreur de décalage et les changements en courant alternatif peuvent affecter le contenu harmonique du signal. L’isolation galvanique supprime l’effet de ces différences de masse et rompt les boucles de masse.

Blocage des tensions en mode commun

Dans de nombreux cas, nous devons extraire un petit signal qui chevauche une tension en mode commun plus importante : un signal ou une tension en phase qui apparaît simultanément sur les deux bornes d’entrée. Dans certains cas, cela peut compenser le signal mesuré par une quantité qui dépasse la pleine échelle de l’entrée de l’instrument, ou dépasse les limites de surtension, causant ainsi des dommages. Un système d’acquisition de données isolé peut bloquer la tension en mode commun et permettre ainsi de mesurer le signal d’intérêt.

Au sujet des normes réglementaires

Un certain nombre de normes réglementaires régissent l’isolation pour les applications industrielles, notamment les normes IEC 60204, UL508, UL60947 et CSA 14-10. En outre, les normes CEI 61010-1 et VDE 410/411 couvrent le contrôle industriel.

La norme UL1577 ne couvre strictement que les isolateurs optiques, mais sa définition et ses exigences de test pour la tension de la barrière d’isolation apparaissent souvent dans les spécifications d’autres dispositifs d’isolation.

Aperçu des technologies et des dispositifs d’isolation

En général, un dispositif d’isolation comprend un composant ou une barrière d’isolation haute tension, un émetteur pour coupler un signal à un côté de la barrière d’isolation, et un récepteur pour reconvertir le signal de l’autre côté de la barrière en un signal numérique ou analogique.

Trois techniques principales sont utilisées pour faire passer les signaux et l’alimentation à travers une barrière d’isolation.

Isolation capacitive

Un isolateur capacitif utilise des condensateurs en haute tension, constitués de dioxyde de silicium (SiO2), pour servir de composant d’isolation. La voie de réception se compose d’un préamplificateur pour augmenter le gain du signal entrant, suivi d’un détecteur d’enveloppe qui sert de démodulateur pour régénérer le modèle numérique original. Les circuits de conditionnement des signaux TX et RX sont utilisés pour améliorer le rejet en mode commun du canal, ce qui permet d’améliorer l’immunité aux transitoires en mode et de minimiser les émissions rayonnées.

Comme les condensateurs bloquent le courant continu, un signal analogique doit être converti en une forme plus adaptée pour passer à travers la barrière d’isolation.

Isolation inductive

Le couplage inductif à l’aide d’un transformateur est largement utilisé pour fournir une alimentation isolée, car une conception isolée nécessite des alimentations électriques séparées de chaque côté de la barrière d’isolation.

Isolation optique

Un optoisolateur, également appelé optocoupleur, transfère les signaux électriques entre deux circuits isolés en utilisant la lumière. Il se compose généralement d’une LED et d’un phototransistor dans le même boîtier.

Les coupleurs opto-isolés nécessitent des impulsions de courant élevées et sont dépendants des effets du vieillissement des LED. En outre, ils peuvent être trop lents pour les communications numériques à grande vitesse, et sont donc remplacés par des conceptions capacitives.

Conclusion

Il n’y a aucun doute que nous entendrons beaucoup plus parler de l’automatisation industrielle et de l’Internet des objets à l’avenir.

Au cours de la prochaine décennie, l’IoT industriel devrait révolutionner le secteur industriel : il a déjà commencé à transformer de grandes industries telles que l’industrie manufacturière et les transports. Tenir compte de son aspect « isolation électrique » est ainsi incontournable pour son déploiement en toute sécurité.