Brevet FR2134080A1 — publié le 19721208

i 2134080 L'invention concerne la liaison entre- un calculateur numérique et une installation analogique de conduite de processus industriel. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de couplage électro-optique utilisé pour la transmis-5 sion des signaux vers les stations de commande ou de régulation, et éventuellement des signaux d'adressage de ces stations. L'utilisation des calculateurs^numériques pour la conduite entièrement automatique et l'optimisation des unités industrielles devient de plus en plus fréquente. 10 Pour des questions de standardisation et de fiabilité, la liaison entre le calculateur et l'organe de contrôle final se fait très souvent en association avec une chaîne analogique. Il est toujours très souhaitable que les potentiels des coupleurs et de chaque chaîne soient flottants. La transmission 15 de l'information doit donc se faire par l'intermédiaire d'un dispositif permettant l'isolement galvanique des chaînes. Ce dispositif doit en outre avoir un temps de réponse aussi faible que possible afin d'assurer une fréquence élevée d'échange. D'une manière générale on peut envisager deux 20 types principaux d'actions des calculateurs numériques sur les chaînes analogiques, à savoir la commande de point de consigne et la commande directe. Dans les deux cas le calculateur numérique délivrera sur un registre de sortie le numéro de la station ou du régulateur sur lequel on veut agir et la nouvelle valeur à laquel-25 le on veut amener le point de consigne ou la position de l'organe régulé suivant le cas. Cette quantité peut être donnée sous la forme de la nouvelle valeur elle-même ou de la différence entre la valeur précédente et la nouvelle valeur, ce dernier type de commande étant appelé "commande incrémentale". 30 La présente invention concerne particulière ment ce type de commande dite "incrémentale" mais n'y est pas limitée. Dans ce type de commande les informations transmises par le calculateur se présentent sous forme d'impul-35 sions modulées en durée ou en amplitude. Suivant l'invention on utilisera des impulsions modulées en durée, la modulation en durée permettant une bonne immunité aux parasites et une transmission de l'information sur de grandes longueurs. Il existe actuellement différentes solutions 40 pourtransmettre l'information sous forme d'impulsions modulées 71 13687 2 2154080 en durée en ayant un isolement entre chaînes. On peut réaliser l'isolement à l'aide de relais miniatures sous ampoule. Les temps de collage et de décollage sont de l'ordre de la milliseconde. Dans le cas de^contacts secs il y a des rebonds au collage, et les 5 contacts mouillés au mercure sont sensibles aux chocs et à l'inclinaison par rapport à la verticale. Avec de tels relais la durée de l'impulsion transmise doit être de l'ordre de 100 ms pour minimiser l'influence de la dispersion sur les temps d'enclenchement et de relâchement. En raison de la lenteur de ce disposi-10 tif la fréquence d'échange avec le calculateur est très faible. d'un transformateur d'impulsions, soit en utilisant un transformateur à large bande qui, pour obtenir un domaine de variation satisfaisant pour la durée des impulsions, doit avoir de grandes 15 dimensions et fournit des impulsions déformées, soit par transmission de deux impulsions dont l'intervalle est variable et représente la grandeur analogique, mais cette solution conduit a des circuits électroniques plus complexes, entre autres des bascules, et plus sensibles aux parasites. 20 L'invention se propose de réaliser un disposi tif de couplage permettant de transmettre, avec une vitesse d'échange très élevée, des impulsions modulées en durée, c'est-à-dire dont la durée est proportionnelle à la valeur absolue de l'incrément et dont le signe correspond au signe de l'incrément. 25 L'invention se propose aussi de réaliser un dispositif de couplage du type décrit ci-dessus très bien immunisé contre les parasites et permettant de transmettre l'information sur de grandes longueurs. 30 dispositif de couplage du type décrit ci-dessus dans lequel on obtient une très bonne définition de la commande, l/lOOO de la gamme de réglage lorsque l'incrément maximum représente 25 % de cette gamme par exemple. 35 présente l'avantage d'avoir une durée d'adressage de la station très faible, cette durée étant à peine supérieure a la durée de l'impulsion, ce qui permet une libération rapide du coupleur et par conséquent l'adressage d'un grand nombre de chaînes par secon- On peut aussi envisager un isolement à l'aide L'invention se propose encore de réaliser un Le dispositif de couplage suivant l'invention de 40 L'invention se propose encore de réaliser 71 13687 3 2134080 un dispositif de couplage de ce type permettant d'isoler galvani-quement les chaînes entre elles et les chaînes vis-à-vis du coupleur. Cet isolement permet de limiter les incidents en cas de masse parasite sur une chaîne ou une boucle analogique. 5 La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est un schéma de blocs représen-10 tant la liaison entre un calculateur numérique et des stations analogiques. La figure 2 est un schéma détaillé du dispositif de couplage suivant l'invention entre un calculateur numérique et une station de régulation. 15 La figure 3 représente une autre forme de réalisation du dispositif de couplage suivant l'invention. Dans la figure 1, un calculateur numérique est relié aux stations analogiques SAoo-5Annpar 1'intermédiaire d'un coupleur 2. 20 Le calculateur 1 fournit au coupleur 2 un signal de validation du contenu de son registre de sortie ou bit de commande C ; un signal d'adressage, codé en binaire pur, sur la ligne d'adressage A, représentant le numéro d'ordre de la station, ce signal comportant 8 bits pour l'adressage de 256 25 stations ; un signal de mise à jour ou incrément sur la ligne . incrément I, ce signal comportant 8 bits pour une définition de 1/256 de l'incrément, l'incrément total représentant au maximum 25 % de la gamme de commande de l'organe réglé soit une définition de 1/1024 par rapport à la gamme totale, et un bit de signe S 30 de l'incrément, le calculateur peut aussi fournir un signal de gel G permettant de bloquer l'ensemble des stations en cas de défaut de l'ordinateur. Le coupleur 2 renvoie à l'ordinateur 1 un signal d'état E de la station adressée comportant 1 bit et indi-35 quant si cette station est en mode de commande calculateur ou non; un signal T de fin de transfert avec une station, ce signal comportant 1 bit. Le coupleur 2 échange avec les stations un signal d'adressage transmis par deux groupes de conducteurs 40 et Yo~Y7 ; un signal d'incrément transmis par deux fils 10, 20 71 13687 4 2134080 vers toutes les stations ; un signal de commande de gel transmis par un seul fil 50 dans le cas où cette commande est prévue à la sortie du calculateur ; et un signal d'état de station provenant des stations et transmis au coupleur par deux fils 30 et 40. 5 L'adressage des stations est fait suivant une- structure matricielle, chaque station reçoit un fil X et un fil Y, c'est-à-dire que pour 64 stations, comme c'est le cas dans la forme de réalisation représentée, on doit disposer de 8 fils X et de 8 fils Y, pour 256 stations il faut 16 fils X et 16 fils Y, 10 etc ... Un transcodeur d'adresse est prévu dans le coupleur pour réaliser cet adressage. Le coupleur 2 comporte aussi un convertisseur numérique-modulation de durée qui fournit des impulsions dont la durée représente la valeur absolue de l'incrément et dont la pola-15 rité représente le signe de l'incrément. La commande de gel se fait par l'intermédiaire d'un relais au niveau de la station. Le coupleur 2 reçoit en outre un signal OP représentant l'intervention directe de l'opérateur pour un blocage général. 20 Suivant l'invention la conception de l'ensem ble coupleur-station permet de disposer d'une distribution extrêmement simple en "bus" qui limite au plus petit nombre possible les fils entre les stations et le coupleur 2. La figure 2 représente le schéma détaillé 25 d'un dispositif de couplage 2' au niveau d'une station. Ce dispositif de couplage transmet un signal E d'état de la station adressée et reçoit un signal d'incrément I, constitué par des impulsions positives ou négatives modulées en durée, et un signal d'adressage A. L'adressage est réalisé à l'aide de relais. Lorsque 30 le coupleur appelle la station X^ Y^, le fil X^ est relié au potentiel 0 et le fil Y^ à un potentiel +V. Le relais d'adressage rA de la station X^ Y^ est le seul à être excité. C'est un relais miniature à trois contacts secs collant et retombant en moins de lms. Ce relais ne doit pouvoir être excité que si la station est 35 en mode calculateur, aussi sa bobine est-elle branchée en série avec un ou plusieurs contacts s'ouvrant en mode manuel. Lors de l'adressage, le contact b du relais rA relie le bus transmettant le signal incrément I aux photocoupleurs réalisant l'isolement galvanique de la station. Le contact 40 a met à la masse du coupleur le bus du signal E (état de la sta 71 13687 5 2134080 tion), indiquant ainsi au coupleur que la station est prête à recevoir le signal incrément. Le contact _ç relie l'intégrateur analogique 4' de la station au circuit de commande d'intégration, l'intégration étant réalisée par un amplificateur opérationnel AO. 5 La durée de l'adressage doit être légèrement supérieure à la durée nécessaire à la transmission de l'incrément pour tenir compte du retard du relais, elle sera de l'ordre de 5 à 7 ms maximum. Ce relais d'adressage permet d'isoler les sta-10 tions des circuits d'adressage du coupleur et d'avoir un étage de faible puissance pour commander le bus incrément, quel que soit le nombre de stations puisque celui-ci ne débite que dans un seul dispositif de couplage à la fois. En outre la présence du contact c du relais à 15 la sortie des transistors a effet de champ isole ces transistors à effet de champ de l'entrée de l'intégrateur et par conséquent empêche la transmission des courants de fuite et améliore la qualité de la mémoire analogique. Le dispositif de couplage 2' comporte deux 20 photocoupleurs 22, 23 qui reçoivent respectivement les impulsions positives et négatives du signal incrément. Chaque photocoupleur est constitué par l'association dans un même boîtier d'une diode photo-émettrice D^, et d'un phototransistor T^, Î2» Ces photocoupleurs sont de type classique. Chaque diode photoémettrice est 25 shuntée par une résistance R^, R2- L'aiguillage des impulsions du signal incrément est réalisé par deux diodes D^, D2 polarisées en sens inverse. Le courant de sortie des photocoupleurs est fonction du courant d'entrée, ces photocoupleurs étant utilisés en tout ou rien (présence ou absence d'impulsion), l'information à 30 transmettre est la durée de l'impulsion. La durée minimale des impulsions est de l'ordre de 10 à 15/* s pour que les temps de montée et de descente et de retard des photocoupleurs soient faibles devant celle-ci. La durée maximale est de 2 ms pour un incrément représentant 12,5 % 35 de la gamme de l'organe de commande, et de 4 ms pour un incrément représentant 25 % de cette gamme. Ces durées peuvent encore être réduites en utilisant des photocoupleurs plus rapides. Les signaux de sortie des photocoupleurs 22, 23 sont transmis respectivement à des circuits de mise en forme 40 24, 25 reliés respectivement à des transistors à effet de champ 71 13687 6 2134080 26, 27 qui commandent l'intégration, réalisée dans le circuit 4'. Cet intégrateur intègre une tension positive ou négative pendant la durée variable des impulsions et fournit un courant de réglage i à l'organe à^régler qui est ici une vanne. Entre deux impulsions 5 l'intégrateur garde en mémoire la grandeur analogique. Les transistors à effet de champ 26, 27 fonctionnent en interrupteurs. Leur électrode drain est reliée à une résistance variable ou P2 permettant de régler la résistance d'intégration. Ces interrupteurs statiques ont des temps de commutation et des courants de 10 fuite très faibles. Ils ne sont reliés à l'entrée de l'intégrateur que durant l'adressage, aussi la mémoire analogique est elle très bonne. La partie droite de la figure 2 représente les organes figurant sur la face avant de la station. L'inter-15 rupteur r^ permet la commande manuelle lorsqu'il est en position ouverte, et la commande numérique directe lorsqu'il est en position fermée. Le potentiomètre P sert à la commande manuelle La référence 31 désigne un indicateur d'équilibrage et la référen-20 ce 32 désigne un dispositif de mesure du courant de sortie i servant au réglage de la vanne V. Suivant l'invention il est possible d'utiliser des photocoupleurs en remplacement du relais pour isoler les circuits d'adressage. Dans ce cas les durées d'adressage peuvent 25 être très réduites (seulement supérieures de quelques centaines de j* s à celles des impulsions). La figure 3 représente une telle variante. Dans la figure 3, le relais r^ est remplacé par trois photocoupleurs 27, 28, 29 comportant respectivement un transistor et une diode D^, un transistor Tg et une diode D^, et un tran-30 sistor et une diode Dy. Un transistor Tg est commandé par le transistor du photocoupleur 29 et sert d'amplificateur. Pour l'adressage d'une station un courant d'adressage est transmis au fil Y. Ce courant traverse les diodes D^, D^ et Dy, rendant conduc teurs les transistors Tg, T^, des trois photocoupleurs, et res-35 sort par le fil X. Lorsque le transistor du photocoupleur 29 est conducteur, donc lorsque la station est adressée, le transistor Tg devient conducteur et le fil E est relié à la masse du coupleur. Dans cette forme de réalisation les transis-40 tors à effet de champ 26, 27 ne sont plus reliés à l'intégrateur 71 13687 7 2134080 par l'intermédiaire du contact _ç du relais r^ et par conséquent doivent être choisis de façon que leurs courants de fuite soient extrêmement faibles pour ne pas diminuer de façon sensible la qualité de la fonction mémoire réalisée par l'intégrateur entre 5 deux incréments. Suivant l'invention l'utilisation de photocoupleurs pour transmettre l'information et d'un relais pour l'adressage permet d'obtenir un très bon isolement galvanique évitant toute liaison entre la distribution des signaux vers les 10 stations analogiques et les sorties du calculateur. En outre la fréquence élevée des échanges, permise par le dispositif suivant l'invention, permet d'utiliser les calculateurs actuels dans les meilleures conditions en évitant les pertes de temps dues aux périphériques. 15 L'augmentation de la vitesse de scrutation des stations obtenue grâce au dispositif suivant l'invention permet un adressage plus fréquent des stations, l'amplitude de l'incrément maximal pouvant alors être réduite. On peut par exemple choisir un incrément maximum de 62,5/1000, l'erreur maximale 20 introduite dans le cas d'un défaut du calculateur sera elle-même réduite à cette valeur. Cet avantage est considérable attendu que la mise en place de calculateurs numériques est freinée, dans ce type d'utilisation, par l'importance des risques encourus en cas de panne. 25 D'autre part, le présent dispositif assurant un isolement total entre les appareils situés en salle de contrôle et les appareils situés en zone dangereuse, il permet de limiter effectivement à un appareil (le régulateur) l'étude du point de vue de la sécurité intrinsèque. 30 Bien que l'invention ait été décrite à l'aide d'une forme de réalisation particulière, on peut y apporter différentes modifications sans sortir du cadre de cette invention. Par exemple on peut remplacer les phototransistors par des photodiodes . 71 13687 8 2134080 REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage entre un calculateur numérique et des stations de commande ou de régulation de chaînes analogiques, dans lequel les informations transmises représentent 5 la quantité dont il faut faire varier les valeurs de consigne ou les positions de l'organe de réglage, et se présentent sous la forme d'impulsions modulées en durée, caractérisé par le fait qu'il comporte pour chaque station deux photocoupleurs recevant respectivement des impulsions représentant les variations crois-10 santés et les variations décroissantes et transmises par l'intermédiaire d'un intégrateur fournissant les grandeurs analogiques correspondantes, ces photocoupleurs assurant un isolement galvanique des chaînes entre elles d'une part et des chaînes vis-à-vis du coupleur d'autre part, tout en permettant un temps d'occupation 15 du coupleur très bref. 2. Dispositif de couplage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'intégrateur est commandé par des transistors à effet de champ fonctionnant en interrupteurs, les impulsions étant transmises auxdits transistors à effet 20 de champ par l'intermédiaire d'un circuit de mise en forme. 3. Dispositif de couplage suivant la revendication 1, caractérisé oar le fait que l'adressage est réalisé à l'aide d'un relais ou de photocoupleurs associés à chacune des stations.