Brevet FR2769385A1 — publié le 19990409

AUTOMATE PROGRAMMABLE APTE A DETECTER UN DEFAUT D'ISOLEMENT SUR UN RESEAU AUQUEL IL EST RELIE La présente invention est relative au domaine de l'automatisme. Plus précisément elle concerne un automate programmable apte à détecter un défaut d'isolement sur un réseau auquel il est relié. Un automate programmable comporte un calculateur qui gère des entrées-sorties auxquelles sont connectés des composants. II envoie des commandes aux sorties et donc aux composants, en fonction de l'état des entrées. Certains composants reliés aux sorties sont destinés à agir sur diverses parties d'une installation telle qu'une machine, une chaîne industrielle etc. Les entrées-sorties peuvent être distantes de l'automate ou locales et intégrées à l'automate. Par la suite les entrées-sorties distantes sont appelées déportées et les locales intégrées. Dans des machines de grande taille, par exemple les machines textiles, ou le long de chaînes de fabrication l'éloignement peut aller jusqu'à 100 mètres voire plus. La figure 1 représente un exemple d'automate programmable AP dans son contexte. II est destiné à automatiser une installation I représentée comme une chaîne de montage. Aux entrées déportées ED peuvent correspondre des composants de type capteurs C tels que des détecteurs de proximité inductifs, des détecteurs de position optoélectroniques, des capteurs de température, des capteurs de pression etc... Aux sorties déportées SD peuvent correspondre des composants de type actionneurs A, AE tels que des moteurs, des électrovannes, des relais etc... Aux entrées locales intégrées El, E2 peuvent être connectés des composants tels que des interrupteurs, des capteurs tandis qu'aux sorties locales S1, S2 peuvent être connectés des composants tels que des voyants VL, des alarmes sonores AL.. Les entrées-sorties déportées ED, SD sont disposées à divers endroits de l'installation I selon le rôle qu'elles doivent jouer. Ces entrées-sorties déportées ED, SD sont reliées à l'automate programmable AP, par un réseau dit "de terrain" sur lequel transitent des informations nécessaires à leur contrôle et à leur commande. Parmi les différents réseaux de terrain, il existe un réseau R connu sous la dénomination de AS-i (abréviation pour Actuator Sensor interface en langue anglaise se traduisant par interface pour capteurs et actionneurs). Ce réseau de terrain AS-i a la particularité de fonctionner par courant porteur. Cela signifie que sur une ligne bifilaire bf partie du réseau R transitent à la fois les informations de communication entre l'automate programmable AP et les entrées-sorties déportées ED, SD et un courant d'alimentation des composants A, C délivré par une alimentation réseau AR. Les informations de commande et de contrôle se superposent à la tension d'alimentation délivrée par l'alimentation réseau AR. Sur la figure 1, chacun des composants référencés A, C est passif de type standard. II est connecté à une entrée ou une sortie déportée ED, SD placée sur un module d'entrée-sortie esclave ME et c'est ce module qui est relié à la ligne bifilaire bf. Un module d'entrée-sortie esclave ME comporte généralement plusieurs entrées-sorties déportées ED, SD. Un répartiteur Re est placé sur la ligne bifilaire bf pour réaliser les deux branches nécessaires pour suivre la forme de l'installation 1. II est aussi représenté un composant actif AE esclave directement connecté à la ligne bifilaire bf. Ce composant actif AE intègre une entrée déportée ED ou une sortie déportée SD. II s'agit dans l'exemple d'une sortie déportée SD et ce composant actif peut être un moteur par exemple. Les modules d'entrée-sortie esclaves ME et le composant actif AE sont aptes à reconnaître les informations envoyées par l'automate programmable AP et circulant sur la ligne bifilaire bf du réseau R. L'automate programmable AP est alimenté par une alimentation automate AA qui est, dans l'exemple, une alimentation continue, délivrant 24V. Sur la figure 1, un voyant lumineux VL et une alarme sonore AL sont représentés reliés respectivement aux sorties intégrées S1, S2. Le détail des branchements du voyant et de l'alarme sonore est décrit plus loin. Au moins une entrée intégrée El est utilisée, elle est reliée à un interrupteur marche-arrêt MA. L'automate programmable AP comporte une unité centrale de commande et de contrôle UCC et un module maître MM qui assure une interface avec le réseau R. C'est lui qui est relié à la ligne bifilaire bf. Les informations qui circulent sur le réseau R en provenance de l'automate programmable AP ou qui se dirigent vers l'automate programmable AP sont codées sur plusieurs bits. Elies comportent un code identificateur du module esclave ME auquel est connecté le composant passif A et une indication de la sortie déportée SD concernée. Actuellement un tel automate programmable permet de contrôler et de commander jusqu'à 124 entrées-sorties déportées, ce qui peut se faire avec 31 modules esclaves si tous les composants reliés aux entrées-sorties déportées sont passifs. Avec ce principe, si l'un des deux fils de la ligne bifilaire bf se trouve accidentellement mis à la terre, par exemple en entrant en contact avec l'installation I, par exemple le châssis de la machine ou de la chaîne, des informations erronées risquent de circuler sur le réseau R. Les informations en retour vers l'automate programmable ne retranscriront pas l'état exact des entrées déportées ED, c'est-à-dire l'état des capteurs C et l'automate programmable AP pourra envoyer vers une sortie déportée SD une commande non souhaitée. Cela peut conduire à la détérioration de certains éléments de l'installation I et être dangereux pour un utilisateur. Dans cette situation, il faut mettre l'installation dans un mode de défaut non dangereux etlou avertir un service de dépannage. Pour détecter ce défaut d'isolement du réseau, on utilise un contrôleur d'isolement Cls externe qui surveille le réseau R en permanence et signale les anomalies qui peuvent intervenir à l'automate programmable AP. II est connecté aux deux conducteurs de la ligne bifilaire bf et à la masse de l'installation I. II est aussi relié à une entrée intégrée E2 de l'automate programmable AP. II mesure en permanence la différence de potentiel entre chacun des conducteurs et la masse. En cas de défaut d'isolement du réseau R, il en informe l'automate programmable AP qui peut alors réagir par exemple en allumant le voyant lumineux VL etJou en faisant retentir l'alarme sonore AL. Cette information se fait avec un certain retard qui correspond au temps de réaction du contrôleur d'isolement Cls et de transmission de l'information vers l'automate programmable AP. Ce contrôleur d'isolement Cls est relativement coûteux et encombrant. Son volume est de l'ordre de celui de l'automate programmable et dans certaines installations existantes il est difficile d'intégrer un tel contrôleur d'isolement Cls. La présente invention propose un automate programmable AP qui est apte à détecter tout défaut d'isolement du réseau à courant porteur auquel il est connecté. II n'est donc plus nécessaire de prévoir un controleur d'isolation externe. Un gain appréciable en coût et en encombrement est réalisé. De plus, cet automate programmable ne risque pas de transmettre vers les sorties déportées des informations erronées et il s'adapte sans problème à toute installation à automatiser. Pour y parvenir la présente invention concerne un automate programmable intervenant sur une installation, destiné à commander et à contrôler des composants via des entrées-sorties parmi lesquelles une ou plusieurs sorties intégrées et au moins deux entrées intégrées à l'automate programmable, une ou plusieurs entrées déportées et une ou plusieurs sorties déportées sur un réseau à courant porteur relié à l'automate programmable. Ce réseau est alimenté par une alimentation réseau comportant deux bornes extrêmes et un point milieu. Les deux entrées intégrées sont formées chacune par une borne non polarisée et une borne commune isolée électriquement de l'automate programmable. L'une des bornes non polarisée est reliée à l'une des bornes extrêmes, I'autre borne non polarisée à l'autre borne extrême et la borne commune au point milieu et à une masse de l'installation, de manière à permettre une détection d'un défaut d'isolement du réseau . L'automate programmable travaille en effectuant une succession de cycles de scrutation des entrées-sorties, un cycle de scrutation comprenant: - une étape d'acquisition de l'état des entrées intégrées suivie, - d'une étape de traitement de l'état des entrées intégrées et du programme de l'automate, cette étape permettant de détecter un défaut d'isolement du réseau, - d'une étape de communication entre l'automate programmable et les entrées-sorties déportées, - d'une étape de commande de l'état des sorties intégrées. Plus précisément l'étape de communication peut consister à commander l'état des sorties déportées et à acquérir l'état des entrées déportées, cette acquisition étant exploitée au cours de l'étape de traitement du cycle suivant. Pour gagner encore du temps la commande de l'état des sorties déportées etlou des sorties intégrées peut avoir lieu au fur et à mesure du déroulement de l'étape de traitement. L'automate programmable peut être formé d'un module maître destiné à assurer la communication avec les entrées-sorties déportées et d'une unité centrale destinée à réaliser les étapes d'acquisition et de commande de l'état des entrées-sorties intégrées, et de traitement. La communication du module maître avec les entrées-sorties déportées peut se faire par l'intermédiaire d'au moins un module esclave sur lequel sont placés les entrées-sorties déportées, des composants passifs pouvant être reliés à ces entrées-sorties déportées. On peut aussi prévoir que le module maître communique directement avec au moins une entrée déportée ou une sortie déportée intégrée sur un composant actif. Lors de la détection d'un défaut d'isolement du réseau, la commande de l'état des sorties déportées peut consister en une mise hors tension d'au moins un composant relié à l'une de ces sorties déportées ou bien en une conservation de leur état. Une autre réaction en cas de détection d'un défaut d'isolement peut être une commande sur une sortie intégrée, telle que la coupure de l'alimentation réseau si cette dernière est reliée à une sortie intégrée ou bien l'activation d'un élément de signalisation tel un voyant ou une alarme sonore qui serait relié à une sortie intégrée. Si une alimentation auxiliaire est prévue pour alimenter un composant, en sus de l'alimentation réseau, il peut être possible qu'elle soit coupée par l'automate programmable si elle est reliée à une sortie intégrée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés ci-après dans la description d'exemples d'automates programmables, illustrée par les figures qui représentent: - la figure 1, déjà décrite, un automate programmable classique utilisé sur une chaine de montage, - la figure 2, un automate programmable selon l'invention utilisé sur une chaîne de montage, - les figures 3a, 3b deux variantes des différentes étapes composant un cycle de scrutation d'un automate selon l'invention. La figure 2 montre un automate programmable AP conforme à l'invention dans son contexte. Cette figure 2 est comparable à la figure 1. La plus grosse différence est la suppression du contrôleur d'isolement externe. On retrouve la ligne bifilaire bf reliant les modules d'entrées-sorties esclaves ME entre eux et à l'automate programmable AP. Les composants passifs A, C de type capteur ou actionneurs sont reliés aux modules d'entrées-sorties esclaves ME. Les capteurs C sont reliés aux entrées déportées ED et les actionneurs A aux sorties déportées SD. II y a aussi une sortie déportée SD qui est intégrée dans un composant actif AE par exemple un moteur. Le composant actif AE est alimenté par une alimentation auxiliaire Ax. La présence de cette alimentation auxiliaire Ax est rendue nécessaire si l'alimentation réseau AR n'est pas suffisante. Dans l'exemple, I'alimentation réseau AR est une alimentation à courant continu qui possède deux bornes de sortie +ASi et -ASi extrêmes et un point milieu PM. Cette alimentation réseau AR délivrera par exemple une tension de 30,6 V et un courant de 2,8A. La borne +ASi sera au potentiel 30,6 V, la borne -ASi au potentiel OV. Entre le point milieu PM et la borne +ASi on obtient alors une tension de +15,3 V, entre le point milieu PM et la borne -ASi on obtient alors une tension de -15,3 V. Le fonctionnement du réseau R limite la consommation de chacun des modules esclaves ME ou des composants actifs AE à 1 OOmA. Si les modules esclaves ME, ou les composants actifs AE ont besoin d'une consommation supérieure, on peut les relier à cette alimentation auxiliaire Ax. La topologie du réseau R est en ligne mais elle aurait pu être en étoile, en arborescence ou former une combinaison de deux ou trois de ces topologies. L'automate programmable AP comporte au moins deux entrées intégrées El, E2 et au moins une sortie intégrée S1, S2. Une entrée ou une sortie intégrée comporte deux bornes. Les deux entrées intégrées El, E2 ont une borne PC commune. Les bornes de l'entrée El sont référencées Tell, PC et celles de l'entrée E2 E22, PC. La borne commune PC est isolée galvaniquement de l'automate programmable. Cela signifie qu'elle n'est reliée à aucun potentiel dans l'automate programmable AP. L'autre borne El I, E22 des entrées intégrées El, E2 est non polarisée, cela signifie que l'on peut lui appliquer indifféremment une tension positive ou négative par rapport à la borne commune PC. L'une des bornes El I non polarisée est reliée à l'une des bornes +ASi de l'alimentation réseau AR, I'autre borne E22 non polarisée est reliée à l'autre borne -ASi de l'alimentation réseau AR. La borne commune PC et le point milieu PM sont reliés l'un à l'autre et mis à la masse de l'installation I. Pour ne pas surcharger trop le schéma de la figure 2, aucune autre entrée intégrée n'a été utilisée. Généralement dans ce type d'automate programmable AP, trois entrées intégrées ont cette borne commune PC. Au point de vue sorties intégrées plusieurs ont été représentées. Deux sorties intégrés S1, S2 dont les bornes se nomment respectivement S11, S21 et S12, S22 sont utilisées pour des alarmes de type voyant lumineux VL et alarme sonore AL. La borne S11 est reliée à une première borne d'une alimentation supplémentaire AAL alimentant le voyant VL. Le voyant VL est relié d'un côté à la borne S21 et de l'autre à la seconde borne de l'alimentation AAL. La borne Si2 est reliée à la première borne de l'alimentation supplémentaire AAL. L'alarme AL sonore est reliée d'un côté à la borne S22 et de l'autre à la seconde borne de l'alimentation supplémentaire AAL. Entre les deux bornes S11, S21 et S12, S22 de ces sorties intégrées S1, S2 se trouve un contact (non représenté) qui est ouvert en fonctionnement normal et que l'automate programmable AP peut fermer en cas de besoin, notamment en cas de défaut d'isolement du réseau R. Deux autres sorties intégrées S3, S4 dont les bornes se nomment respectivement S13, S23 et S14 et S24 sont utilisées respectivement pour couper l'alimentation réseau AR et l'alimentation auxiliaire Ax. La borne S13 est reliée à la première borne +ASi de l'alimentation réseau AR. La ligne bifilaire bf a l'un de ses fils relié à la borne S23 et l'autre à la seconde borne -ASi de l'alimentation réseau AR. Ce branchement est légèrement différent de celui représenté à la figure 1 car maintenant l'automate peut couper l'alimentation réseau AR. La borne S14 est reliée à une première borne + de l'alimentation auxiliaire Ax. Le moteur AE est relié d'un côté à la borne S24 et de l'autre à la seconde borne - de l'alimentation auxiliaire Ax. Entre les deux bornes S13, S23 et S14, S24 de ces sorties intégrées S3, S4 se trouve un contact (non représenté) qui est fermé en fonctionnement normal et que l'automate programmable peut ouvrir en cas de besoin, notamment en cas de défaut d'isolement du réseau R. Lorsqu'il travaille l'automate programmable AP effectue une succession de cycles dits "de scrutation". On se réfère à la figure 3a. Au cours d'un cycle, il acquiert l'état de toutes les entrées intégrées El, E2, et en particulier des entrées reliées à l'alimentation réseau AR. De préférence, les entrées intégrées El, E2, sont des entrées numériques. Leur état est à un en fonctionnement normal. Un zéro sur l'une d'entre elles indique la présence d'un défaut d'isolement sur le réseau R. Pour des raisons de sécurité, les entrées El, E2 sont actives dès qu'une différence de potentielle légèrement inférieure à celle normale devant se trouver en sortie de l'alimentation réseau AR est présente sur les entrées intégrées El, E2. Cette différence de potentiel peut être de l'ordre de + 11 V par exemple. Après l'acquisition des états des entrées intégrées El, E2, a lieu une étape de traitement de l'état des entrées intégrées et du programme de l'automate. Ce traitement permet notamment de détecter un défaut d'isolement et de le traiter en préparant une réaction Les étapes suivantes du cycle consistent en une communication entre l'automate programmable AP et les entrées-sorties déportées ED, SD et en une commande de l'état des sorties intégrées S1, S2, S3, S4. La communication est réalisée par le module maître MM et comprend d'une part une commande de l'état des sorties déportées SD et d'autre part une acquisition de l'état des entrées déportées ED, cette acquisition étant exploitée au cours de l'étape de traitement du cycle suivant. Avec un tel cycle, en cas de détection d'un défaut d'isolement sur le réseau R, la commande de l'état des sorties déportées peut consister en une mise hors tension de tous les composants A, AE reliés à ces sorties de quelques-uns d'entre eux ou d'un seul d'entre eux. Cette commande peut aussi consister à ne rien modifier au niveau des sorties déportées, ces dernières conservant l'état qu'elles avaient après l'étape de commande du cycle précédent. La commande de l'état des sorties intégrées S1, S2 S3, S4 peut consister en l'allumage du voyant lumineux VL et/ou la mise en route de l'alarme sonore AL et/ou la coupure de l'alimentation auxiliaire Ax et/ou la coupure de l'alimentation réseau AR. Si un défaut d'isolement est détecté au cours d'un cycle, le traitement du défaut avant la commande de l'état des sorties déportées ou intégrées du même cycle permet de réagir correctement sans risque de faire une commande erronée sur une sortie. Un temps de réaction au maximum d'un cycle est garanti en cas de défaut, si celui-ci apparaît après l'acquisition de l'état des entrées intégrées El, E2. Cela correspond à environ 5ms s'il y a 124 entrées-sorties déportées et seulement lms s'il y en a 6 ce qui est très court. On peut être amené à réduire encore le temps de réaction de l'automate programmable AP, en le faisant commander l'état des sorties déportées A, AE et/ou des sorties intégrées SI, S2, S3, S4, au fur et à mesure du déroulement du traitement des états des entrées intégrées et déportées. La figure 3b illustre cette variante. Un automate programmable AP associé à un contrôleur d'isolement externe, effectuant les mêmes cycles de scrutation avait un temps de réaction plus long en cas de défaut d'isolement du réseau. En effet, il faut ajouter un temps de transmission entre la détection du défaut par le contrôleur d'isolement externe et son arrivée au niveau d'une entrée intégrée de l'automate programmable. Des états erronés des entrées déportées pouvaient être pris en compte par l'automate programmable lors de la phase de traitement avant que le défaut ne soit signalé sur une entrée intégrée. L'automate programmable pouvait alors effectuer une commande erronée sur une sortie déportée ce qui peut être dangereux à la fois pour un utilisateur et pour l'installation. REVENDICATIONS 1. Automate programmable (AP) intervenant sur une installation (I), destiné à commander et à contrôler des composants (A, AE, C) via des entrées-sorties (ED, SD, SI, S2, S3, S4, El, E2) parmi lesquelles une ou plusieurs sorties intégrées (S1, S2, S3, S4) et au moins deux entrées intégrées (El, E2) à l'automate programmable, une ou plusieurs entrées déportées (ED) et une ou plusieurs sorties déportées (SD) sur un réseau (R) à courant porteur relié à l'automate programmable (AP), ce réseau (R) étant alimenté par une alimentation réseau (AR) comportant deux bornes extrêmes (+ASi, -ASi) et un point milieu (pi), les deux entrées intégrées (El, E2) étant formées chacune par une borne non polarisée (Ell, E22) et une borne commune (PC) isolée électriquement de l'automate programmable, caractérisé en ce que l'une des bornes non polarisée (E11) est reliée à l'une des bornes extrêmes (+ASi), I'autre borne non polarisée (E22) à l'autre borne extrême (-ASi) et la borne commune (PC) au point milieu (PM) et à une masse de l'installation (I), de manière à permettre une détection d'un défaut d'isolement du réseau (R). 2. Automate programmable (AP) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il travaille en effectuant une succession de cycles de scrutation des entrées-sorties, un cycle de scrutation comprenant: - une étape d'acquisition de l'état des entrées intégrées (El, E2) suivie, - d'une étape de traitement de l'état des entrées intégrées (El, E2) et du programme de l'automate, cette étape permettant de détecter un défaut d'isolement du réseau (R), - d'une étape de communication entre l'automate programmable (AP) et les entrées-sorties déportées (ED, SD), - d'une étape de commande de l'état des sorties intégrées (S1, S2, S3, S4). 3. Automate programmable selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de communication consiste à commander l'état des sorties déportées (SD) et à acquérir l'état des entrées déportées (ED), cette acquisition étant exploitée au cours de l'étape de traitement du cycle suivant. 4. Automate programmable selon la revendication 3, caractérisé en ce que la commande de l'état des sorties déportées (SD) a lieu au fur et à mesure du déroulement de l'étape de traitement. 5. Automate programmable selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de commande de l'état des sorties intégrées (S1, S2, S3, S4) a lieu au fur et à mesure du déroulement de l'étape de traitement. 6. Automate programmable selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un module maître (MM) destiné à assurer la communication avec les entrées-sorties (A, AE) déportées et une unité centrale (UCC) destinée à réaliser les étapes d'acquisition et de commande de l'état des entrées-sorties intégrées (El, E2, S1, S2, S3) et de traitement. 7. Automate programmable selon la revendication 6, caractérisé en ce que la communication entre le module maître (MM) et les entréessorties déportées (ED, SD) se fait par l'intermédiaire d'au moins un module esclave (ME) sur lequel sont placées les entrées-sorties déportées (ED, SD), des composants passifs (A, C) pouvant être reliés à ces entrées-sorties (ED, SD) déportées. 8. Automate programmable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le module maître (MM) communique directement avec au moins une entrée déportée (ED) ou une sortie déportée (SD) intégrée sur un composant actif (AE). 9. Automate programmable selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lors de la détection d'un défaut d'isolement du réseau (R), la commande de l'état des sorties déportées (SD) consiste en une mise hors tension d'au moins un composant (A, AE) relié à l'une de ces sorties déportées (SD). 10. Automate programmable selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lors de la détection d'un défaut d'isolement du réseau (R), la commande de l'état des sorties déportées (SD) consiste à conserver leur état. Il. Automate programmable selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il commande, en cas de défaut d'isolement du réseau (R), la coupure de l'alimentation réseau (AR), cette dernière étant reliée à une sortie intégrée (S3). 12. Automate programmable selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il commande, en cas de défaut d'isolement du réseau (R), la coupure d'une alimentation auxiliaire (Ax) destinée à alimenter au moins une entrée-sortie déportée (ED, SD) en complément de l'alimentation réseau (AR), cette alimentation étant reliée à une sortie intégrée (S4). 13. Automate programmable selon l'une des revendications i à 12, caractérisé en ce qu'il commande, en cas de défaut d'isolement du réseau (R), I'activation d'un élément de signalisation tel qu'une alarme sonore (AL) ou un voyant (VL) relié à l'une des sorties intégrées (S2).