Brevet FR2177686A1 — publié le 19731109

La présente invention a pour objet un système et des dispositifs électroniques numériques à programme cablé pour la commande numérique directe-des procédés industriels. On sait que la commande numérique directe d'une installation industrielle nécessite l'utilisation d'équipements ou systèmes numériques qui se substituent partiellement ou totalement aux instruments de mesure et de commande analogique couramment utilisés pour maintenir l'installationdans les conditions de fonctionnement désire. Les instruments ou dispositifs ci-dessus comprennent généra- lement des appareils pour mesurer les quantités physiques telles que température, pression, débit, etc..., des émetteurs de ces mesures, des enregistreurs, des contrôleurs automatiques, des dispositifs de mise en action, tels que des valves de réglage, des servo-moteurs etc... On sait également que les fonctions de ces instruments, à part évidemment les appareils de mesure et les dispositifs de mise en fonctionnement, peuvent être confiées à des calculateurs electro- niques numériques, appelés calculateurs de procédé, de manière à obtenir de plus grandes performances telles que par exemple, une plus grei.#de précision, la possibilité de mettre en oeuvre des traitements bien plus complexes que ceux auquels on peut accéder par l'instrumentation classique, etc.., L'utilisation, maitenant largement répandue, des calculateurs à programme stocké, et par suite, appropriés à un usage général, provoque la concentration dans un seul système, à la fois des fonctions de commande numérique directe, ces fonctions ayant un niveau hiérarchique et mathématique inférieur (acquisition des données à partir des installations, transformations des données obtenues en unités techniques, traitement des algorithmes de commande, transfert des ordres de commande aux dispositifs de mise en fonctionnement, etc...) mais se produisant à une fréquence relativement élevée et des fonctions de niveau hiérarchique et mathématique plus élevé, (commandes d'adaptation, d'optimisation, identification de modèles, command'es de démarrage et d'arrêt, etc...) ayant une pé Friodicité relativement faible. A ce point de vue, il est évident que le traitement en temps réèl (on sait que la gestion ou le traitement des données en temps réèl implique la possibilité d'obtenir les résultats de ce traitement dans un temps court, par rapport à la durée du phénomène auquel se rapportent les données à traiter, et par suite, de les obtenir en temps utile pour intervenir sur le phénomène lui-meme) d'une grande quantité d'informations non homogènes, requiert des systèmes extrèmement complexes dans le calculateur, et par suite, une machine de haute performance et de cout élevé. Selon le processus ci-dessus, on se trouve devant la nécessité d'utiliser une équipe de techniciens particulièrement expérimentés, à la fois pour écrire les programmes du calculateur et pour les opérations ultérieures. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif électronique numérique approprié pour accomplir un certain nombre de fonctions types de commande numérique directe (on donne ciaprès à titre d'exemple, une liste de ces fonctions) selon un programme de traitement relativement rigide, qui est incorporé (cablé) de façon permanente à l'intérieur du dispositif, dans une mémoire dite "mémoire à simple lecture". Dans cet équipement, quelques programmes fonctionnels standardisés sont disposés suivant un ordre de succession de traitement approprié. Pour chaque mesure (entrée) provenant du procédé, on peut choisir, dans la série complète des fonctions, celle qui est appropriée à la mesure particulière, de manière à réduire la programmation à un simple choix de fonctions. L'information totale concernant cette sélection est stockée sous la forme de deux mots de douze bits dans la mémoire principale et introduite directement par le pupitre de commande du procédé, au moyen d'un simple clavier. Une telle conception de commande numérique directe présente les particularités suivantes comparativement à la conception traditionnelle précédemment illustrée; - une plus grande vitesse du fait que les instructions constituant le programme ne sont pas contenues dans une mémoire à lecture et écriture, dont la vitesse, comme on le sait, conditionne la vitesse de l'ensemble du dispositif ; - une complexité réduite des circuits, du fait que la structure du dispositif est conçue à dessein pour les fonctions prévues et non pour une généralité de fonctions comme dans le cas d'un calculateur du type "à usage général ;; - l'absence totale de nécessité d'avoir recours pour le fonctionnement et la programmation à une équipe de techniciens expérimentes, du fait que le courant des informations, et en particulier, l'attribution des adresses dans la mémoire, sont contrôlés exclusivement par le dispositif puisque toutes les éventualités ont été prévues dans ce dispositif ; - la possibilité d'une liaison avec un calculateur du type à "usage général" auquel on confie seulement les fonctions de niveau hiérarchique et mathématique le plus élevé avec, pour conséquence, une complexité moindre de la programmation et une plus faible dimension de la machine. Les systèmes numériques de commande directe des procédés sont gé néralement munis d'un calculateur de procédé du type à "usage gé général et, par suite, la structure schématique de l'ensemble du système est telle qu'illustréelà titre d'exemple, à la figure 1. Indépendanmelt des éléments de communication vers le procédé et émanant du procédé, ainsi que de ltopérateur, le calculateur luimeme est subdivisé en trois blocs fonctionnels : une unité de traitement, une mémoire de fonctionnement, une mémoire de masse. Une mémoire de grande capacité (mémoire de masse) est en fait habituellement nécessaire dans les calculateurs à programme stocké, car il y a un grand nombre d'informations constituant le "système de fonctionnement" en temps réèl, à savoir l'ensemble indispensable des instructions et sous-programmes, qui gère le temps machine-en con trouant la succession selon laquelle les divers progammes utiles sont mis en oeuvre, ces programmes étant à leur tour stockés dans d'autres zones de la mémoire, et en vérifiant les priorités de ces programmes.également suivant ou non que certains évènements se produisent à l'extérieur dudit calculateur. Pour une définition détaillée du terme "système de fonctionnement" on se réfèrera à P.B. Jordain-Condensed computer Encyclopedia-Mc Graw-Hill 1969 pages 354 et suivantes. Compte tenu de ce qu'on a dit ci-dessus, on comprendra que la grande souplesse de fonctionnement des calculateurs dettype "à usage général" nécessite l'emploi de mémoires de dimensions appréciables, meme quand on n'a à traiter qu'un nombre relativement faible de données et que les traitements à effectuer sont pratiquement répétitifs et simples comme ceux du contrôle numérique direct. Le système selon la présente invention peut etre représenté par une structure en blocs telle que celle de la figure 2, qui diffère de celle de la figure 1 seulement par la structure en blocs du calculateur. Dans ces figures - 1 représente la mémoire de masse, - 2 représente la mémoire de travail, - 3 représente les dispositifs d'entrée, - 4 représente l'unité de traitement, - 5 et 6 représentent l'imprimante, - 7 représente le pupitre de l'opérateur - 8 représente les dispositifs de sortie, - 9 représente le groupe d'actions controlant le procédé, - 10 représente la mémoire à simple lecture, - 11 représente l'entrée pour les mesures provenant du procédé. Le calculateur comprend en fait les blocs fonctionnels suivants - une unité de traitement généralement analogue à celle des calculateurs du type à "usage général", mais cette unité est adpatée aux exigences particulières du système à programme cablé - une mémoire de travail de type classique, qui est utilisée néanmoins de manière limitée, pour le stockage de données numériques (données variables ou constantes), tandis que dans les calculateurs du type "à usage général", la plus grande partie de la mémoire est utilisée pour stocker à la fois les systèmes opératoires et les programmes à utiliser - une mémoire à sinople lecture, constituant non seulement ltélé- ment de commande de tout Je système, mais comprenant aussi, à la différence des calculateurs classiques du type "a' usage général", le programme pour mettre en oeuvre les fonctions types de commande numérique directe Un tel programme a été écrit en langage particulier, au niveau des commandes élémentaires pour les divers dispositifs constituant le calculateur, en appliquant la technique dite de micro-programmation. Les avantages d'une telle structure ont été énumérés ci-dessus. Il convient de noter en particulier la plus grande sécurité de fonctionnement d'un programme stocké en mémoire permanente, qui n'est pas susceptible d'altérations, à la différence des mémoires classiques, à lecture et enregistrament. Cette mémoire qui est le noyau de l'unité de commande, comprend essentiellement les fonctions de commande numérique directe sous forme de programmes arithmétiques standard et d'entrée et sortie, tandis que la mémoire principale stocke seulement les données numériques et le programme constitué de deux mots pour chaque entrée provenant du procédé. Les éléments de communication venant du procédé et vers le procédé, aussi bien que l'opérateur ne présentent pas au contraire de différences de structure essentielles. Le dispositif selon la présente invention permet d'acquérir, avec une fréquence programmable à la volonté de l'opérateur, les mesures de quantités physiques provenant de l'installation industrielle, par un système de sélection de divers canaux de mesure et à la suite, si nécessaire, un système de conversion analogique-numérique quand la sélection des canaux de mesure est indépendante des données disponibles sous forme numérique. La fréquence d'échantillonnage de chaque canal de mesure peut se programmer indépendamment de celle des autres canaux et il est également possible de programmer "l'intervalle de mesure" du système d'obtention des données, si nécessaire, Les données obtenues sont stockées dans un élément de mémoire approprié, de manière à être disponibles pour des traitements ultérieurs. Ces traitements se divisent en fonctions relativement complexes qui peuvent ou non etre appliquées suivant la volonté de l'opérateur, dans un ordre de succession fixe et prédéterminé, La programmation du dispositif est limitée alors au choix des fonctions à appliquer aux données obtenues et naturellement, à l'introduction des coefficients et paramètres nécessaires, etc... Les fonctions ci-dessus peuvent être de divers types. A titre de simple exemple, on indique ci-après une liste des fonctions possibles, suivant un ordre d'exécution possible à adopter - linéarisation des transducteurs ayant une caractéristique quadratique. Cette opération peut s'effectuer en se référant en particulier aux transducteurs de débit ayant une caractéristique quadratique. Afin d'obtenir une compatibilité avec les transducteurs usuels à~ pression différentielle, on peut prévoir une opération de déplacement du zéro pour le terme compris sous le signe radical (fi~). On sait bien en effet qu'un tranducteur à pression différentielle, a une sortie dans l'intervalle standard (0,21 à 1,05Kg/cm2, 4 à 20 mA, etc...) pour des valeurs de pressions différentielles comprises entre zéro et la plus grande valeur-estimée en sorte qu'une mesure prélevée M est traitée conformément à la formule suivante où K est le déplacement du zéro par rapport à la valeur à pleine échelle. - Linéarisation de transducteurs ayant une caractéristique presque linéaire. On peut prévoir la linéarisation de transducteurs ayant une caractéristique presque linéaire par approximation de segments rectilignes. Pour la programmation, il est nécessaire de connaître les points caractérisant tous les segments linéaires de la ligne brisée et les pentes de ces segments. - Rapport entre deux mesures. Une telle fonction implique la réalisation du rapport entre des données obtenues à partir de deux canaux de mesure distincts. Le rapport calculé peut être utilisé pour des traitements ultérieurs. - Alarme du procédé. Il est possible d'introduire la comparaison de données obtenues ou du rapport entre deux données avec des limites supérieures ou inférieures d'alarme. La condition d'alarme peut être transmise vers l'extérieur à des stations de surveillance et/ou à des dispositifs d'impression et d'enregistrement. On peut prévoir l'établissement d'une certaine hystérésis pour le retour de la condition d'alarme à la condition normale,-de manière à éviter les signaux et interventions continus quand la variable à contrôler a une valeur très proche des limites de l'alarme. - moyenne arithmétique Cette fonction consiste à effectuer la moyenne arithmétique d'un nombre prédéterminé de données successives, obtenues à partir d'un certain canal de mesure ou calculées sous forme de rapports. La dernière moyenne calculée peut rester disponible pour la visualisation; l'impression ou l'enregistrement pendant tout le temps indispensable à l'élaboration d'une nouvelle valeur. - commande numérique directe Cette fonction est la fonction principale du calculateur pour la commande numérique directe. Une telle fonction consiste à calculer la déviation de la valeur mesurée d'une certaine quantité par rapport à la valeur désirée et à traiter cette erreur au moyen d'un algorithme mathématique, pour déterminer la valeur de la variable contrôlée. Cet algorithme, en utilisant la notation bien connue en terme de transbrmées en Z:U (#) et E (z) de la sortie u (nE ) et de l'er- reur e (nec), respectivement, où 1 est la période d'échantillonnage, peut être par exemple synthétisé par l'expression suivante L'algorithme donné en exemple comprend, comme cas particulier, le régulateur à triple action classique bien connu (P.I.D.), mais il permet d'obtenir des performances plus élevées, car on dispose à la conception d'un plus grand nombre de degrés de liberté. Le calculateur peut etre programmé de manière à attribuer à l'erreur différents signes selon les exigences du procédé. (action directe : erreur = valeur désirée - mesure ; action inver se : erreur = mesure - valeur désirée). Il existe de plus la possibilité de relier mutuellement deux canaux pour obtenir une commande en cascade. Dans ce cas, le point de repère du régulateur secondaire est la sortie du régulateur primaire La variable contrôlée peut être automatiquement limitée à un intervalle standard, de même qu'on le fait avec les régulateurs analogiques habituels, mais cette variable peut aussi être limitée à un intervalle plus étroit à l'intérieur de limites prédéterminées pour chaque canal. On a également la possibilité d'effectuer un contrôle du type dif N férentiel par le calcul de la différence algébrique entre la dernière valeur et la valeur précédente de la variable contrôlée. La valeur de cette dernière ou de son incrément en fonction du temps est alors envoyée au dispositif de contrôle à travers des circuits ou dispositifs à mémoire appropriés aptes à conserve la valeur pendant l'intervalle d'échantillonnage (maintien de la donnée par ordre zéro). - transfert de données vers l'extérieur. Pour chaque canal de mesure, on peut prévoir la possibilité d'envoyer certaines données traitées par la machine et disponibles dans la mémoire, à des dispositifs de visualisation et d'enregistrement, c'est-à-dire des dispositifs qui sont ajustés continuellement sur chaque échantillonnage. Pour transformer la valeur d'une quantité X exprimée en unités-machine en la valeur correspondante T exprimée en unités techniques, on utilise une relation linéaire du type T = aX + b où a et b sont respectivement un facteur d'échelle et un écart à l'origine. - communications avec l'opérateur. Les communications avec l'opérateur s'effectuent au moyen d'un pupitre par lequel il est possible d'insérer et de lire des données, de faire varier certains coefficients, de programmer les traitements a' effectuer sur chaque canal etc... On peut prévoir, par exemple, l'emploi de deux imprimantes dont l'une est une imprimante d'alarme, imprimant tous les évènements se produisant accidentellement, tandis que l'autre imprimante sert à établir le diagramme en imprimant à intervalles fixés à l'avance les données préalablement requises. L'accès par le pupitre à la mémoire du calculateur peut s'effectuer au moyen de deux touches sélectionnant les données à insérer ou à lire et le canal auquel ces données se réfèrent. Les données peuvent être insérées au moyen de commutateurs à décades et visualisés sur des indicateurs à décades lumineux. On peut également prévoir, sur le pupitre de contrôle, des éléments de signalisation, signalant à la fois les alarmes de procédé et les défectuosités de fonctionnement du calculateur. REVENDICATIONS 1. Système et dispositif électronique numérique à programme cablé pour la commande numérique directe des procédés industriels, caractérisés en ce qu'ils permettent de mettre en oeuvre un nombre prédéterminé de fonctions types de commande numérique directe selon un programme de traitement sensiblement rigide, qui est incorporé à l'équipement dans une mémoire à simple lecture. 2. Système et dispositif selon la revendication 1, caractérisés par l'agencement préalable de programmes fonctionnels types qui sont ordonnés selon un processus prédéterminé et par la possibilité d'associer la ou les fonctions désirées à chaque mesure particulière. 3. Système et dispositif selon la revendication 2, caractérisés en ce que l'association de la ou des fonctions désirées à chaque mesure particulière, s'effectue au moyen d'un programme constitué de deux mots, ce programme étant stocké dans la mémoire principale et associé à son tour à la mesure particulière. 4. Système et dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisés par l'association d'une unité de traitement, d'une mémoire de travail exclusivement pour stocker les données numériques et d'une mémoire à simple lecture contenant également le programme pour mettre en oeuvre les fonctions types de commande numérique directe. 5. Système et dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisés par l'insertion dans la mémoire à simple lecture, d'une série de fonctions types, de préférence telles qu'indiquées ci-dessus.