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Signaux numériques, analogiques et discrets : comprendre AI, AO, DI et DO
Une liste d’entrées/sorties I/O distingue les mesures, les états binaires et les communications de données. AI, AO, DI et DO décrivent le sens d’entrée ou de sortie et le type de signal du contrôleur ; les protocoles numériques exigent des informations supplémentaires sur l’interface et le réseau. Confirmez la fonction logique et l’interface électrique avant de choisir une carte.
Les trois familles de signaux
Un signal discret représente un état binaire, par exemple ouvert/fermé ou en marche/à l’arrêt. Une communication numérique encode des valeurs, des états ou des commandes dans des messages ; HART et Modbus en sont des exemples. Un signal analogique varie sur une plage. Toutes les couches physiques numériques ne se limitent pas à deux niveaux de tension, et une voie I/O discrète n’est pas la même interface qu’un port de communication numérique.
La confusion est historique : un contact discret et un bus numérique utilisent tous deux deux niveaux, si bien qu’on les appelle tous deux « numériques ». Pour le câblage, la distinction utile est de savoir si le signal est une mesure analogique, un état binaire discret ou un message numérique.
AI — Entrée analogique
Une entrée analogique transmet une mesure continue au contrôleur. Le signal le plus courant est le 4–20 mA, choisi parce que son « zéro actif » à 4 mA permet de distinguer un zéro réel, à 4 mA, d’un fil coupé, à 0 mA. Les autres entrées analogiques comprennent le 0–10 V, les thermocouples et les sondes de température à résistance RTDs.
| Signal | Interface | Point à considérer pour le diagnostic | Source typique |
|---|---|---|---|
| 4–20 mA | Boucle de courant | 0 mA indique une perte du courant de boucle ; en diagnostiquer la cause | Transmetteur |
| 0–10 V | Tension rapportée à une référence | Une valeur nulle peut être réelle ou provenir d’un défaut du circuit | Capteur alimenté ou variateur |
| Thermocouple ou RTD | Entrée dédiée compatible | La détection de coupure ou court-circuit dépend de la carte et de sa configuration | Élément de mesure de température |
| 0–20 mA | Boucle de courant | Pas de distinction par zéro actif à 4 mA | Appareil spécifié à sortie courant |
Pour une AI, le choix essentiel de conception est la plage : les points 4 mA et 20 mA du transmetteur doivent correspondre aux unités physiques configurées pour la voie, sinon la conversion de la mesure est fausse dans tout le traitement en aval.
AO — Sortie analogique
Une sortie analogique envoie une commande continue depuis le contrôleur, souvent un signal 4–20 mA vers un positionneur de vanne ou un variateur. Vérifiez si la sortie fournit ou absorbe le courant et ce qui alimente le circuit. Le retour de position est normalement un signal distinct ou une valeur numérique ; mesurer à nouveau le courant de commande ne démontre pas la position réelle de la vanne.
DI — Entrée discrète
Une entrée discrète transmet un état binaire au contrôleur : fin de course, détecteur de niveau très haut, pressostat ou contact de marche moteur. Elle se raccorde généralement à un contact sec, une paire de contacts qui se ferme ou s’ouvre, ou à un capteur de proximité NAMUR.
Les contacts secs nécessitent un circuit de détection compatible et peuvent présenter des rebonds. Les détecteurs NAMUR utilisent une interface de courant à deux fils spécifiée, souvent avec une caractéristique de source de 8.2 V et 1 kiloohm. Respectez les seuils du détecteur et de l’amplificateur exacts, le sens de fonctionnement et les réglages de défaut de ligne. La surveillance des défauts améliore le diagnostic, mais ne confère pas une qualification de sécurité à tout capteur NAMUR et ne révèle pas toutes les défaillances mécaniques.
DO — Sortie discrète
Une sortie discrète envoie une commande binaire depuis le contrôleur : démarrer une pompe, ouvrir une électrovanne ou déclencher un avertisseur sonore. Il s’agit généralement d’un contact de relais ou d’une sortie transistor. La question pratique est la charge que la sortie peut réellement commuter : un relais accepte AC ou DC et un courant plus élevé ; une sortie transistor est rapide et sans pièce mobile, mais généralement limitée à DC et aux faibles courants. Vérifiez le pouvoir de commutation des contacts de la carte par rapport au courant d’appel de la charge avant de confier un contacteur moteur à une DO.
Choisir le signal adapté à la fonction
| Mesure ou action | Signal adapté | Raison |
|---|---|---|
| Niveau continu du réservoir | AI (4–20 mA) | Transmet la valeur |
| Arrêt de sécurité contre le débordement du réservoir | DI (NAMUR ou contact sec) | Signal de sécurité binaire indépendant |
| Commande de position de vanne | AO (4–20 mA) | Pilote le positionneur |
| Marche/arrêt de pompe | DO (relais) | Commute la charge |
| Configuration du transmetteur | Numérique (HART sur la boucle) | Données superposées au 4–20 mA |
Un arrêt de sécurité peut être déclenché à partir d’un transmetteur analogique ou d’un détecteur discret, selon les exigences de sécurité et la conception approuvée. Une carte AI ou DI ne crée pas, à elle seule, l’indépendance. Évaluez le partage des capteurs, les raccordements au procédé, l’alimentation, la logique et les éléments finaux comme une fonction complète.
Questions des techniciens
Q1. Le 4–20 mA est-il analogique ou numérique ?
Le courant 4–20 mA est analogique. Un transmetteur HART associe les deux en superposant un signal numérique FSK sur les mêmes deux fils, mais le courant lui-même reste un signal analogique.
Q2. Quelle est la différence entre contact sec et contact alimenté ?
Un contact sec, ou libre de potentiel, ne fournit pas sa propre tension de détection. Une sortie alimentée fournit un niveau électrique que l’entrée réceptrice doit accepter. Les cartes DI diffèrent : vérifiez tension, courant, commun et fonctionnement en source ou absorption de courant, au lieu de supposer qu’elles acceptent toutes le même câblage de contacts.
Q3. Pourquoi NAMUR existe-t-il ?
Son interface de courant définie permet à une entrée ou un amplificateur compatible de distinguer les états de commutation et, si la configuration le prévoit, les défauts de ligne. Confirmez la couverture de détection et la réponse au défaut du circuit complet. Un mécanisme bloqué ou certaines défaillances de capteur peuvent toujours nécessiter des essais périodiques de bon fonctionnement.
Q4. Un seul fil peut-il transporter une AI et une DI ?
Un conducteur seul ne constitue normalement pas un circuit complet. Une boucle HART à deux fils peut transporter une valeur analogique et un état numérique, tandis que d’autres bus peuvent transporter plusieurs valeurs logiques. Ces messages ne sont pas automatiquement des voies physiques AI et DI : le système récepteur doit prendre en charge l’interface et la correspondance des données.
