Brevet FR2722597A1 — publié le 19960119

DISPOSITIF DE CONTROLE DES PARAMETRES D'UN PROCESSUS DE FABRICATION L'invention concerne un dispositif de contrôle en continu des paramètres d'un processus de fabrication, afin d'appréhender de manière continue les phénomènes transitoires ou perturbateurs se produisant lors de ce processus de fabrication. La demande de brevet Français No.9214680 déposée le 26 novembre 1992 au nom de la demanderesse, décrit un procédé et une installation de surveillance en continu et en temps réel d'un processus complexe de fabrication. La Fig. 1 à laquelle il est maintenant fait référence représente de manière schématique une installation de surveillance telle que décrite dans la demande de brevet15 évoquée ci-dessus. Cette installation vise à surveiller en continu un processus complexe de fabrication. Le processus de fabrication est mis en oeuvre par une machine afin de transformer une matière première en un produit fini. Afin de pouvoir surveiller le processus de fabrication on20 dispose des capteurs qui surveillent la machine et le produit à une étape quelconque de sa transformation. La disposition et la nature de chacun des capteurs sont choisies de manière à pouvoir surveiller un élément fondamental du processus de fabrication. On utilise ainsi25 des capteurs de température, de pression, de tension, de vibrations, d'éclairement, d'épaisseur, de vitesse, de débit, de charges électriques, de potentiel, de densité optique, de viscosité, ainsi que tout autre type de capteur utile pour surveiller l'un des éléments fondamentaux du30 processus de fabrication. Chaque capteur fait partie d'un canal Cl,C2,.... Cn.... Chaque canal envoie un signal sur un réseau 10 d'une manière bien connue dans la technique. Ce signal parvient alors à des superviseurs 12a, 12b, 12c. 35 Le réseau 10 peut être n'importe quel type de réseau de terrain tel que par exemple FILBUS, décrit notamment 2 dans Control Engineering d'Octobre 1987, ou dans Minis et Micros N 313 du 19 décembre 1988. Le réseau peut être aussi le réseau FIP décrit dans les projets de norme NF C46-601 à NF C46-607. On a utilisé un réseau FIP5 constitué d'une paire torsadée blindée travaillant à 2,5 MHz mais il est évident que l'on pourrait aussi faire transiter les informations par des fibres optiques à 5 MHz tel que préconisé par FIP dans un mode de réalisation particulier.10 Les superviseurs 12a, 12b, 12c, sont équipés de cartes appropriées par exemple carte coupleur FIP (cc 105 de Cegelec ) de manière à être relié au réseau 10 afin de recevoir les informations fournies par l'ensemble des canaux Cl, C2,..., Cn,... Avantageusement, les15 superviseurs 12a et 12c peuvent prendre la forme de micro- ordinateurs du type PC 486 ou analogue. Il permet notamment d'analyser les informations reçues et de corréler les informations issues de capteurs différents. Le superviseur 12b peut être constitué lui aussi d'un micro-20 ordinateur de type PC 486 ou analogue. Avantageusement, ce superviseur permet d'alimenter une base de données 14 permettant de collecter des informations relatives au processus de fabrication et de constituer un historique en vue d'utilisation ultérieure pour25 éventuellement étudier les dérives lentes ou cycliques en fonction de paramètres extérieurs. Il est évident que pour pouvoir réaliser des corrélations entre des signaux issus de capteurs différents ou constituer un historique utilisable ultérieurement, chaque spectre ou signal devra30 être accompagné d'un signal de synchronisation provenant par exemple d'une horloge unique interne au système. Les superviseurs déterminent automatiquement la durée mise par le produit pour passer d'un capteur déterminé à un autre capteur en fonction de la vitesse de déplacement du produit35 qui peut être mesuré par d'autres capteurs. Le superviseur 12b peut être équipé d'une carte réseau du type IEEE 802 de & 3 manière à pouvoir interroger en temps différé, par l'intermédiaire d'un réseau 16, la base de donnée au moyen d'une station de travail 18 déportée qui peut être une station DEC travaillant sous WINDOWS . 5 Comme représenté à la Fig. 1, le réseau 10 est aussi relié à des actionneurs A1, A2,..., Ap qui permettent de mettre en oeuvre des organes de commande de la machine. Le superviseur 12c communique avec le superviseur 12a et peut comprendre un système expert pour, sur réception10 d'informations provenant du superviseur 12a, mettre en oeuvre les actionneurs Ai appropriés. Les actionneurs Ai présentent une structure analogue aux canaux Ci dans lesquels les capteurs 20 sont remplacés par des moteurs ou analogues, souvent appelés dans la15 technique actionneurs. Chaque actionneur Ai transmet les ordres du réseau 10 vers un moteur, par exemple, en transitant par le processeur 28. Le mode de fonctionnement des actionneurs Ai est considéré comme inverse au mode de fonctionnement des canaux d'acquisition Ci et est caractérisé en ce que les paramètres objectifs fournis par le superviseur 12c sont utilisés par tout moyen d'analyse spectrale inverse (FFT inverse par exemple ou tout autre algorithme tel que filtre numérique, commandes adaptatives et identification temps25 réel du processus) avec un contrôle précis de la phase (pour éviter tout phénomène de pompage) de façon à engendrer un signal analogique dont les composantes spectrales tendent à minimiser les fréquences perturbant le produit.30 La Fig. 2 à laquelle il est maintenant fait référence illustre de manière schématique un des canaux de surveillance, tels qu'utilisés dans la demande évoquée ci- avant. Ainsi que mentionné ci-dessus, on utilise un capteur 20 de manière à transformer le phénomène physique à surveiller en un signal électrique analogique. Le capteur est associé à des conditionneurs 21 qui permettent de fournir un signal d'amplitude relativement importante comprise par exemple entre 100 mV et 10 V, de façon à pouvoir parvenir au convertisseur analogique/numérique5 situé à une courte distance (de l'ordre du mètre au maximum) sans être notablement perturbé. Comme on le voit sur la Fig. 2, le signal issu du capteur est envoyé à un circuit 22 transformant le signal analogique issu du capteur 20 en un signal numérique. Pour10 limiter le bruit parasite qui pourrait se produire sur la liaison entre le capteur 20 et le circuit 22, on dispose le circuit analogique numérique le plus près possible du capteur 20. Les paramètres d'influence de la mesure sont aussi fournis au convertisseur de manière à pouvoir tenir15 compte des influences externes au capteur sur la mesure réalisée par le capteur 20. Le circuit 22 comprend un filtre anti-repliement de manière à satisfaire aux conditions de Shannon relatives à l'échantillonnage et un convertisseur 24 qui fournit un signal de sortie numérique20 fonction de l'amplitude du signal d'entrée analogique. Le signal numérisé est alors envoyé à un circuit 25 pour y être stocké dans une RAM 26 sous le contrôle d'un microprocesseur. Compte tenu de l'utilisation particulière envisagée, le microprocesseur utilisé est un DSP 5600125 fabriqué par MOTOROLA - L'acquisition du signal se fait en temps réel. Avantageusement, la mémoire 26 est une mémoire circulaire que l'on peut obtenir au moyen d'un pointeur faisant intervenir une fonction modulo. Ainsi qu'il apparaît clairement à la Fig. 2, le module de traitement 25 et le module de conversion 22 sont localisés dans la même entité physique. En réalité, le bloc 25 est connecté au bloc 22 par l'intermédiaire d'un bus de données. Ceci implique la réalisation d'une carte d'interface spécifique à chaque capteur utilisé. Ceci35 augmente sensiblement le coût et la complexité de l'installation au niveau de chacun des capteurs ou actionneurs. De plus, ces cartes étant spécifiques à chaque capteur ou actionneur, elles doivent être réalisées au coup par coup "sur mesure" en fonction essentiellement de l'application visée.5 Un autre problème lié à cette approche réside dans le fait que les éléments d'acquisition, de conversion et de traitement doivent être localisés géographiquement au même endroit, seuls les dispositifs de supervision étant délocalisés grâce à l'utilisation du réseau de terrain 10.10 Enfin, la liaison entre le module de conversion et le module de traitement 25 est susceptible d'être perturbée par des parasites nuisibles à la qualité et à la fiabilité du contrôle et de la surveillance réalisés. Aussi, est-ce un des objets de la présente invention que de fournir une installation ne présentant pas les inconvénients qui viennent d'être discutés en référence à la technique antérieure. D'autres objets apparaîtront de manière plus détaillée dans la description qui suit. Ces objets sont atteints au moyen d'un dispositif de contrôle en continu d'un processus de fabrication, afin d'appréhender de manière continue les phénomènes transitoires ou perturbateurs se produisant lors de ce processus, dispositif comprenant:25 a) au moins un superviseur déporté destiné à recevoir en temps réel des signaux permettant d'analyser et/ou d'observer l'état du processus de fabrication; b) un capteur au moins, chacun des capteurs étant associé à un paramètre du processus de fabrication et mesurant une valeur du paramètre qui lui est associé et transformant ladite valeur de manière à produire un signal analogique; c) un convertisseur analogique numérique associé à chacun des capteurs et situé au voisinage immédiat dudit capteur et recevant ledit signal analogique afin de transformer ce signal analogique en une succession de 6 valeurs numériques représentatives de l'état instantané en fonction du temps du paramètre correspondant; d) des moyens de traitement pour traiter lesdites valeurs numériques et les comparer avec des valeurs de référence données; et e) un réseau de terrain destiné à convoyer le résultat de la comparaison vers le ou les superviseurs déportés; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit réseau de terrain est également utilisé pour convoyer les informations issues du convertisseur analogique numérique vers les moyens de traitement et de mémorisation. Avantageusement, les moyens de traitement sont arrangés de manière à recevoir, traiter et mémoriser les valeurs issues d'une pluralité de capteurs via leurs convertisseurs analogiques respectifs. Selon une alternative, chaque capteur est associé à un moyen de traitement séparé. A titre d'exemple, les moyens de traitement comprennent: i) des moyens pour transformer les variations temporelles représentées par la succession de valeurs numériques en signaux représentatifs des variations fréquentielles dudit signal analogique puis, après25 traitement, mémoriser lesdits signaux représentatifs des variations fréquentielles; ii) un analyseur recevant lesdits signaux représentatifs des variations fréquentielles afin de les transformer en un nombre limité de caractéristiques30 objectives; et iii) des moyens de stockage pour stocker lesdites caractéristiques objectives. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de transformation des variation temporelles en variations fréquentielles opèrent une transformation de 7 Fourier discrète ou tout autre algorithme de traitement numérique de signal. Avantageusement encore, le dispositif selon l'invention comprend en plus: i) au moins un actionneur de mise en oeuvre du processus, chaque actionneur étant commandé par un signal analogique dont la valeur influence la valeur d'au moins un paramètre correspondant du processus; ii) des moyens de traitement pour, en fonction du résultat de la comparaison, produire un signal numérique de correction représentatif d'une éventuelle modification à apporter au signal de commande de l'un au moins desdits actionneurs utilisés dans le processus de fabrication; et iii) un convertisseur numérique analogique associé à chaque actionneur pour transformer le signal numérique de correction en un signal analogique correspondant, la sortie du convertisseur numérique analogique étant connectée à l'actionneur correspondant de manière à modifier en conséquence la valeur du ou des20 paramètres associés, lesdits moyens de traitement étant connectés auxdits convertisseurs numériques analogiques correspondants par l'intermédiaire dudit réseau de terrain. Dans la description qui suit, il sera fait référence au dessin dans lequel: La Fig. 1 représente une installation de surveillance telle que décrite dans la demande de brevet FR.9214680 évoquée ci-avant; La Fig. 2 illustre de manière schématique un canal de surveillance à capteurs utilisé dans l'installation représentée à la Fig. 1; La Fig. 3. représente schématiquement un premier arrangement des canaux de contrôle du dispositif selon la présente invention; La Fig. 4 représente schématiquement un second arrangement des canaux de contrôle du dispositif selon l'invention; et La Fig. 5 représente un troisième arrangement des canaux de contrôle du dispositif selon l'invention. La description détaillée qui suit, pour des raisons de simplicité, se bornera à décrire de manière détaillée les parties du dispositif faisant l'objet de l'invention. Ainsi, par exemple pour les différents types de traitement dont les mesures issues des capteurs peuvent faire l'objet, pour la programmation des moyens de calcul, pour le fonctionnement des superviseurs, on pourra se référer à la10 demande de brevet mentionnée ci-avant et dans laquelle tous ces éléments sont décrits de manière très détaillée. Avantageusement cependant, les moyens de traitement (25) comprennent des moyens (28) pour transformer les variations temporelles représentées par le signal numérique produit par le CAN 24 en signaux représentatifs des variations fréquentielles du signal analogique issu du capteur 20 et une mémoire 26 pour, après traitement, mémoriser les signaux représentatifs des variations fréquentielles. Les moyens de calcul 28 incluent également20 un analyseur recevant les signaux représentatifs des variations fréquentielles afin de les transformer en un nombre limité de caractéristiques objectives. Les caractéristiques objectives ainsi obtenues sont alors stockées dans une mémoire 26.25 La Fig. 3 à laquelle il est maintenant fait référence illustre de manière schématique un premier mode de réalisation du dispositif selon la présente invention. Il est à noter que l'architecture générale du dispositif de contrôle selon l'invention est conforme à celle représentée à la Fig. 1 de la présente demande. L'invention diffère en réalité du dispositif de la Fig. 1 par le contenu et l'organisation des boites référencées C1, C2,..., Cn et A1, A2,..., An. La description qui suit va s'attacher à décrire l'organisation de ces boites selon35 l'invention. La Figure 3 illustre un premier mode dans lequel sont représentés deux capteurs 20 placés à des endroits donnés de la machine mettant en oeuvre le processus à surveiller. Chacun des capteurs est connecté à un bloc de 5 discrètisation 23 du type de celui représenté à la Fig. 2. Selon une caractéristique importante de l'invention, chacun des blocs de discretisation 23 est relié à un bloc de traitement 25 (identique à celui décrit en référence à la Fig. 2) par l'intermédiaire du réseau de terrain 10.10 Selon cette approche, chaque bloc de traitement est pourvu d'un processeur 30 dont la fonction est de gérer les échanges entre les blocs de discretisation 23 (ou de transformation en analogique 40 lorsqu'il s'agit de commander un actionneur 33) et les cartes d'interface 31 du15 réseau de terrain 10. Les blocs de traitement 23 sont des blocs disponibles commercialement. Ils ne sont pas à priori conçus pour être interfacés directement avec un processeur de signal. Le processeur 30 est un composant non dédié au traitement du signal. Il sert simplement à la20 gestion des échanges avec l'interface 31 du réseau de terrain 10. Au niveau des blocs de traitement 25, cette gestion est assurée par le DSP 28. Le réseau de terrain 10 est du type de celui utilisé conformément à la Fig. 2 entre le bloc de traitement et de mémorisation 25 et les25 dispositifs de supervision 12a, 12b et,. par conséquent ne nécessite pas de description supplémentaire. Selon le dispositif représenté à la Fig. 2 les blocs de discretisation étaient reliés aux blocs de traitement 25 par l'intermédiaire d'une liaison classique. Les avantages30 de la solution selon la présente invention résident dans le fait que le dispositif de traitement 25 peut être délocalisé du capteur et de son bloc de traitement associé. De plus, ainsi que représenté à la Fig. 3, il est possible d'utiliser un bloc de traitement unique commun à plusieurs35 capteurs. Enfin, ce type de liaison par réseau présente l'avantage d'être exempt de parasites, ce qui n'était pas le cas dans le dispositif de la Fig. 2. La Fig. 4 représente une alternative au mode de réalisation de la Fig. 3. Selon cette alternative, une station de traitement séparée 25 est associée à chaque capteur 20. La Fig. 5, à laquelle il est maintenant fait référence illustre une autre alternative au dispositif selon la présente invention. Selon cette approche, le dispositif10 comprend à la fois des capteurs 20 et des actionneurs 33. A titre d'exemple, on peut citer un moteur. Selon l'invention, les signaux issus des capteurs 20 sont discrètisés et envoyés vers une station de traitement 25 ou ils sont analysés et comparés par exemple à des valeurs de15 référence. Le résultat de la comparaison est représentatif d'une correction à apporter au signal de commande d'un ou plusieurs actionneurs 33 présents sur le dispositif de mise en oeuvre. Cette correction est le résultat d'un algorithme adapté au processus surveillé (par exemple,20 commandes adaptatives ou identification en ligne du processus). La séquence de signaux numériques obtenue est envoyée sur le réseau de terrain 10, et alimente ensuite un bloc de conversion numérique analogique o un signal de correction est généré et envoyé sur l'actionneur25 correspondant 33. Alternativement, on utilise à la place du convertisseur numérique analogique un dispositif de modulation à largeur d'impulsions dont la fonction est de transformer un signal numérique en un signal dont la largeur d'impulsions dépend de la correction à apporter à30 la commande de l'actionneur. Cette modification de commande de l'actionneur 33 modifie la valeur du ou des paramètres dont la valeur a été détectée en dehors d'un gabarit ou d'un signal de référence. L'invention vient d'être décrite en faisant référence à des modes de réalisation avantageux. Il est évident que O - L il des variantes peuvent être apportées à ces modes de réalisation sans s'écarter du concept de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de contrôle en continu d'un processus de fabrication, afin d'appréhender de manière continue les phénomènes transitoires ou perturbateurs se produisant lors de ce processus, dispositif comprenant: a) au moins un superviseur (12a, 12b) déporté destiné à recevoir en temps réel des signaux permettant d'analyser et/ou d'observer l'état du processus de fabrication; b) un capteur au moins (20), chacun des capteurs étant associé à un paramètre du processus de fabrication et mesurant une valeur du paramètre qui lui est associé et transformant ladite valeur de manière à produire un signal analogique; c) un convertisseur analogique numérique (24) associé à chacun des capteurs et situé au voisinage immédiat dudit capteur et recevant ledit signal analogique afin de transformer ce signal analogique en une succession de valeurs numériques représentatives de l'état instantané en fonction du temps du paramètre correspondant; d) des moyens de traitement (25) pour traiter lesdites valeurs numériques et les comparer avec des valeurs de référence données; et e) un réseau de terrain (10) destiné à convoyer le résultat de la comparaison vers le ou les superviseurs déportés; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit réseau de terrain (10) est également utilisé pour convoyer les informations issues du convertisseur analogique numérique (24) vers les moyens de traitement (25). 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (25) sont arrangés de manière à recevoir, traiter et mémoriser les valeurs issues d'une pluralité de capteurs (20) via leurs convertisseurs analogiques numériques respectifs (24). 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque capteur (20) est associé à un moyen de traitement qui lui est propre. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (25) comprennent: i) des moyens (28) pour transformer les variations temporelles représentées par la succession de valeurs numériques en signaux représentatifs des variations fréquentielles dudit signal analogique puis, S15 après traitement, mémoriser lesdits signaux représentatifs des variations fréquentielles; ii) un analyseur (28) recevant lesdits signaux représentatifs des variations fréquentielles afin de les transformer en un nombre limité de caractéristiques objectives; et iii) des moyens de stockage (26) pour stocker lesdites caractéristiques objectives. - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de transformation des variations temporelles en variations fréquentielles opèrent une transformation de Fourier discrète. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend en plus: i) au moins un actionneur (33) de mise en oeuvre du processus, chaque actionneur (33) étant commandé par un signal analogique dont la valeur influence la valeur d'au moins un paramètre correspondant du processus; ii) des moyens de traitement (28) pour, en fonction du résultat de la comparaison, produire un t Es. signal numérique de correction représentatif d'une éventuelle modification à apporter au signal de commande de l'un au moins desdits actionneurs (33) utilisés dans le processus de fabrication; et iii) un convertisseur numérique analogique (32) associé à chaque actionneur pour transformer le signal numérique de correction en un signal analogique correspondant, la sortie du convertisseur numérique analogique étant connectée à l'actionneur correspondant de manière à modifier en conséquence la valeur du ou des paramètres associés, lesdits moyens de traitement (28) étant connectés auxdits convertisseurs numériques analogiques (32) correspondants par l'intermédiaire dudit réseau de terrain (10). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend en plus: i) au moins un actionneur (33) de mise en oeuvre du processus, chaque actionneur (33) étant commandé par un signal analogique dont la valeur influence la valeur d'au moins un paramètre correspondant du processus; ii) des moyens de traitement (28) pour, en fonction du résultat de la comparaison, produire un signal numérique de correction représentatif d'une éventuelle modification à apporter au signal de commande de l'un au moins desdits actionneurs (33) utilisés dans le processus de fabrication; et iii) un dispositif de modulation à largeur d'impulsions (32) associé à chaque actionneur pour transformer le signal numérique de correction en un signal correspondant à largeur d'impulsion variable, la sortie du dispositif de modulation à largeur d'impulsions étant connectée à l'actionneur correspondant de manière à modifier en conséquence la valeur du ou des paramètres associés, lesdits moyens de traitement (28) étant connectés audit dispositif de 1 v modulation à largeur d'impulsions (32) correspondants par l'intermédiaire dudit réseau de terrain (10).