Technologie 4-20 mA dans l'automatisation industrielle

Introduction

Le 4-20 mA est l'une des technologies de transmission de signaux les plus influentes et les plus durables de l'histoire de l'automatisation industrielle.

Depuis des décennies, les boucles de courant 4-20 mA sont utilisées pour transmettre des variables de processus analogiques telles que.. :

• Pression
• Température
• Débit
• Niveau
• Position de la vanne
• Vitesse
• Signaux de sortie du processus

La véritable valeur de la technologie 4-20 mA réside dans la façon dont la transmission de signaux basée sur le courant permet une communication industrielle robuste, à longue distance et résistante au bruit.

Aujourd'hui encore, malgré l'essor des :

• Systèmes de bus de terrain
• Ethernet industriel
• Ethernet-APL
• OPC UA
• Communication IIoT

La norme 4-20 mA reste l'une des normes d'instrumentation industrielle les plus répandues dans le monde.

L'instrumentation industrielle moderne repose encore largement sur le 4-20 mA en raison de ses caractéristiques :

• Simplicité
• Fiabilité
• Immunité au bruit électrique
• Faible complexité matérielle
• Dépannage facile
• Stabilité à longue distance

Cette technologie a fondamentalement modifié la façon dont les instruments industriels communiquent avec les automates programmables, les systèmes DCS et les contrôleurs.

Histoire et développement de la technologie 4-20 mA

La convention 4-20 mA est née dans les années 1950, lorsque l'électronique est devenue moins chère et que la fiabilité a répondu aux exigences de l'industrie de l'automatisation.

Avant les systèmes d'automatisation numériques modernes, le contrôle des processus industriels reposait en grande partie sur la technologie :

• Systèmes pneumatiques
• Logique des relais
• Instrumentation analogique
• Architectures de contrôle câblées

À l'époque, les installations industrielles avaient besoin d'une méthode fiable pour transmettre des mesures analogiques sur de longues distances.

Le 4-20 mA constituait une solution peu coûteuse et facile à utiliser, qui n'était pas fortement affectée par les pertes de tension sur les longs câbles.

La logique d'automatisation était à l'origine réalisée à l'aide de relais jusqu'à l'invention du premier automate programmable (PLC) :

$1968$

Le premier automate programmable a considérablement simplifié les architectures d'automatisation industrielle et réduit la complexité du matériel.

Au cours des années 1980 et 1990, plusieurs organisations et fabricants d'automatismes ont commencé à développer les premières technologies de bus de terrain, comme par exemple :

• PROFIBUS
• Foundation Fieldbus

Ces technologies ont permis une communication numérique bidirectionnelle entre les appareils et les contrôleurs.

Contrairement aux boucles analogiques traditionnelles, les systèmes de bus de terrain intègrent les dispositifs directement dans les réseaux d'automatisation numériques.

Cependant, malgré l'essor de la communication numérique, le 4-20 mA est resté largement utilisé en raison de sa simplicité et de sa robustesse.

Principe technique de base du 4-20 mA

Le concept fondamental de la technologie 4-20 mA est la transmission de signaux en boucle de courant.

Au lieu de transmettre des informations par le biais d'une tension, le système transmet des informations sur le processus par le biais d'un courant électrique.

La gamme de signaux est la suivante :

4 mA → 20 mA

où :

• 4 mA représente la valeur minimale du processus
• 20 mA représente la valeur maximale du processus

Par exemple :

• 4 mA = 0% niveau du réservoir
• 20 mA = 100% niveau du réservoir

La relation peut être représentée comme suit :

I=4 mA+16 mA×(PV/Span)​

Où ?

• $I$ = courant de boucle
• $PV$ = variable du processus
• $Spun$ = plage de mesure

Pourquoi les boucles de courant ont-elles été utilisées à la place des signaux de tension ?

L'un des principaux avantages techniques du 4-20 mA est l'immunité au bruit électrique.

Une explication technique résume clairement cette situation :

“La raison pour laquelle il s'agit d'un courant (milliampères) est que les différences de tension entre les emplacements à l'extrémité du câble sont capables d'ignorer plusieurs volts de bruit de terre électrique sans avoir à être isolées”.”

Les usines industrielles contiennent de grandes quantités d'interférences électriques générées par.. :

• Moteurs
• Entraînements à fréquence variable (EFV)
• Contacteurs
• Équipements de grande puissance
• Systèmes de soudage

Les signaux basés sur la tension sont très sensibles au bruit électrique.

Les boucles de courant sont beaucoup plus résistantes car le courant reste stable même lorsque des fluctuations de tension se produisent sur de longs câbles.

Une autre explication technique est la suivante :

“Les sources de courant constant ignorent essentiellement les décalages de tension.”

C'est l'une des principales raisons pour lesquelles le 4-20 mA est devenu la norme analogique industrielle dominante.

Pourquoi avoir choisi 4 mA au lieu de 0 mA ?

L'une des caractéristiques de conception les plus intelligentes de la norme 4-20 mA est l'utilisation d'un système d'affichage :

• Signal minimum de 4 mA
• au lieu de 0 mA

Une explication technique est donnée :

“Le minimum de 4ma a été utilisé pour détecter si le câble était rompu. 0 ma signifie une alarme et un système cassé”.”

C'est ainsi qu'est né ce que l'on appelle communément un :

• Circuit de surveillance

Parce que 0 mA indique :

• Défaillance du câble
• Perte de puissance
• Câblage cassé
• Dysfonctionnement de l'appareil

le système de contrôle peut détecter immédiatement les conditions anormales.

La fiabilité et la sécurité de l'industrie s'en sont trouvées considérablement améliorées.

Pourquoi les systèmes d'alimentation 24V sont devenus la norme

Le système 4-20 mA a été conçu à l'origine pour :

$24\mathrm{VDC}$

les systèmes d'alimentation industriels.

Une explication technique décrit :

“Le système a été conçu à l'origine pour des systèmes alimentés en 24 volts, comme deux batteries au plomb.”

Cette tension est devenue la norme pour les alimentations des automates industriels et de l'automatisation car elle fournit :

• Fonctionnement stable de la boucle
• Marge de tension suffisante
• Compatibilité avec les câbles longs
• Alimentation fiable des instruments

Aujourd'hui encore, le 24VDC reste l'une des tensions de commande industrielle les plus courantes.

Problèmes industriels résolus par la technologie 4-20 mA

La technologie 4-20 mA a permis de résoudre plusieurs problèmes majeurs de communication industrielle.

Transmission de signaux à longue distance

Les installations industrielles ont souvent besoin d'une transmission de signaux à travers :

• Des centaines de mètres
• Grandes surfaces de production
• Installations à distance sur le terrain

Les boucles de courant permettent une transmission analogique stable sur de longues distances.

Immunité au bruit

Les interférences électriques sont fréquentes dans les usines.

Les boucles 4-20 mA offrent une forte résistance contre :

• Différences de potentiel de la terre
• Interférences électromagnétiques
• Fluctuations de tension

La fiabilité du processus s'en trouve améliorée.

Intégration simple des instruments

Les boucles 4-20 mA permettent une intégration extrêmement simple des appareils entre :

• Capteurs
• Automates programmables
• Systèmes DCS
• Contrôleurs
• Vannes
• Actionneurs

sans nécessiter de protocoles numériques compliqués.

Dépannage facile

Un ingénieur a expliqué :

“Pour moi, il est très simple de dépanner un appareil 4-20 mA.”

Le signal étant directement mesurable à l'aide d'un multimètre, les techniciens peuvent rapidement établir un diagnostic :

• Défauts de câblage
• Défaillances des capteurs
• Problèmes d'étalonnage
• Interruptions de la boucle

Cette simplicité reste l'un des principaux avantages des systèmes 4-20 mA.

Limites de la technologie 4-20 mA

Bien que le 4-20 mA reste très fiable, il présente également plusieurs limites par rapport aux systèmes de communication numériques modernes.

Exigences individuelles en matière de câblage

Chaque instrument nécessite généralement un câblage spécifique.

Cela augmente :

• Coût du câble
• Complexité de l'installation
• Charge de travail pour l'entretien

en particulier dans les grands projets industriels.

Informations limitées sur le diagnostic

Les boucles analogiques traditionnelles ne transmettent qu'une seule variable de processus.

Une discussion d'ingénierie expliquée :

“Les connexions analogiques ne fournissent pas d'informations de diagnostic détaillées.”

Contrairement aux systèmes numériques modernes, le 4-20 mA ne peut pas être transmis facilement :

• Diagnostic de l'appareil
• Informations sur la santé
• Analyse avancée
• Données de configuration

Les défis du bruit électrique

Bien que les boucles de courant soient relativement résistantes au bruit, les systèmes analogiques restent vulnérables aux interférences.

Une explication technique est donnée :

“L'équipement électrique de l'usine produit du bruit électrique”.”

La même explication précise que

“L'utilisation de câbles torsadés blindés peut réduire les effets du bruit sur les signaux électriques, mais ce n'est pas une solution à toute épreuve.”

Cela met en évidence l'une des motivations des technologies de communication industrielle numérique.

Passage du 4-20 mA au bus de terrain et à l'Ethernet industriel

Au cours des années 1980 et 1990, la communication industrielle a progressivement évolué vers.. :

• PROFIBUS
• Foundation Fieldbus
• HART
• Ethernet industriel
• Ethernet-APL

Ces technologies ont été introduites :

• Communication bidirectionnelle
• Diagnostic numérique
• Mise en réseau de plusieurs appareils
• Gestion avancée des appareils

Contrairement aux boucles analogiques, les systèmes de bus de terrain permettent aux appareils de devenir des composants de réseau numériques intégrés.

Cependant, malgré l'essor des communications numériques, le 4-20 mA reste largement utilisé pour les raisons suivantes :

• Les boucles analogiques sont simples
• Les besoins en matériel sont faibles
• La fiabilité est extrêmement élevée
• Le dépannage est simple

Une explication technique résume bien la situation :

“Il y a un manque de complexité dans un circuit qui n'implique pas de communications numériques.”

Comment le 4-20 mA améliore les fonctions de l'instrument

La technologie 4-20 mA a permis de réaliser directement de nombreuses fonctions essentielles de l'instrumentation industrielle.

Transmission stable des processus analogiques

Cette technologie permet aux capteurs de transmettre de manière fiable :

• Mesures du processus
• Signaux de contrôle
• Rétroaction analogique

sur de longues distances.

Contrôle fiable des vannes et des actionneurs

De nombreux systèmes industriels utilisent encore des boucles 4-20 mA pour le contrôle :

• Vannes pneumatiques
• Systèmes hydrauliques
• Actionneurs électriques
• Dispositifs à vitesse variable

parce que les boucles analogiques restent très stables et prévisibles.

Conception d'instruments peu complexes

Une boucle 4-20 mA peut être mise en œuvre à l'aide d'une électronique très simple.

Une explication technique est donnée :

“Une boucle 4-20 mA peut être créée avec quelques transistors.”

Cela permet aux appareils de rester en place :

• Fiable
• Rentabilité
• Facile à réparer
• Facile à entretenir

Industrie 4.0 Évolution du 4-20 mA

Bien que l'industrie 4.0 soit fortement axée sur la communication numérique, la technologie 4-20 mA continue d'évoluer parallèlement aux architectures industrielles modernes.

Les instruments modernes combinent de plus en plus souvent :

• Sortie analogique 4-20 mA
• Communication HART
• Diagnostic numérique
• Connectivité Ethernet
• Surveillance sans fil

Cela permet à l'infrastructure analogique existante de coexister avec les systèmes numériques modernes.

HART sur 4-20 mA

La technologie HART superpose des signaux de communication numériques aux boucles traditionnelles 4-20 mA.

Cela permet :

• Diagnostic de l'appareil
• Configuration
• Étalonnage à distance
• Gestion des actifs

tout en préservant la compatibilité analogique traditionnelle.

Intégration avec les PLC et les systèmes DCS

Les systèmes PLC et DCS modernes prennent encore largement en charge les interfaces 4-20 mA car de nombreuses installations industrielles continuent d'utiliser des architectures mixtes contenant :

• Anciens systèmes analogiques
• Réseaux numériques modernes
• Environnements d'automatisation hybrides

Tendances futures du développement de la technologie 4-20 mA

Les futurs systèmes industriels devraient continuer à utiliser 4-20 mA dans les applications nécessitant :

• Simplicité
• Fiabilité
• Long cycle de vie des équipements
• Peu d'entretien
• Opérations critiques pour la sécurité

Toutefois, les technologies de communication numérique viendront de plus en plus compléter les boucles analogiques :

• Diagnostics avancés
• Surveillance à distance
• Maintenance prédictive
• Connectivité dans le nuage
• Analyse basée sur l'IA

Plutôt que de disparaître complètement, le 4-20 mA continuera probablement à servir de couche analogique de base stable dans les architectures industrielles hybrides.

Conclusion

La technologie 4-20 mA reste l'un des fondements les plus importants de l'automatisation industrielle.

La véritable valeur du 4-20 mA réside dans la façon dont la communication en boucle de courant permet :

• Transmission analogique fiable
• Stabilité du signal à longue distance
• Immunité au bruit électrique
• Dépannage simple
• Instrumentation peu complexe
• Contrôle industriel robuste

Bien que les systèmes industriels modernes utilisent de plus en plus des technologies de communication numérique telles que le bus de terrain, Ethernet-APL et OPC UA, le 4-20 mA continue de jouer un rôle essentiel en raison de sa simplicité, de sa fiabilité et de sa durabilité industrielle éprouvée.

Même à l'ère de l'industrie 4.0, le 4-20 mA reste profondément intégré dans les systèmes d'instrumentation industrielle modernes.