Brevet FR2771877A1 — publié le 19990604

La présente invention concerne un réseau de terrain à haute sécurité et disponibilité se rapportant en particulier à l'automatisation, à la surveillance des procédés industriels, et à toute installation où la sécurité des données et la disponibilité de l'installation sont nécessaires. Ces opérations utilisent de nombreux instruments, capteurs, actionneurs, avertisseurs, automates divers, etc, reliés entre eux par des réseaux de câbles. Dans les systèmes traditionnels, les informations sont regroupées sur des postes centralisés en charge de la surveillance et des actions associées, chaque appareil ou instrument local étant généralement relié par son propre câble, ou ensemble de câbles, à ces postes centralisés. Les réseaux de terrains remplacent progressivement cette organisation centralisée en délocalisant le traitement des informations sur tout le cheminement d'un bus qui parcours le site. Ces nouvelles structures apportent des économies de câblage, un câble unique remplaçant plusieurs dizaines, voire centaines de câbles individuels. Par ailleurs, les informations sont systématiquement numérisées et disponibles sur l'ensemble du site, utilisables par plusieurs instruments simultanément. L'installation est ainsi beaucoup moins dépendante d'un système central, ce qui contribue à sa sûreté de fonctionnement et à sa disponibilité. Les réseaux de terrain déjà fortement implantés dans l'industrie manufacturière, gagnent progressivement le secteur des procédés continus. Cependant les domaines de la sécurité, des risques d'incendie et de la détection de gaz sont extrêmement sensibles à la robustesse et à la disponibilité permanente des dispositifs de détection et d'alerte. On éprouve de ce fait certaines réticences à confier à un câble unique l'ensemble des dispositifs contribuant à la sécurité des biens et des personnes. Les instruments dédiés à la détection de danger sont potentiellement soumis à des risques de dégradation générés par leur environnement, chocs mécaniques, agressions chimiques, incendie ou explosion par exemple. Dans ces situations critiques, leur fonctionnement est particulièrement important. Sans autre précaution, la destruction d'un câble par un feu situé dans une zone, par exemple, empêcherait l'acheminement de l'alarme incendie pour lequel le réseau a été mis en place. Cette destruction rendrait inopérante la détection des autres zones non encore soumises au phénomène et desservies par le même câble. Différents réseaux de terrain" connus à ce jour ont suscité des variantes dans des installations dites à haute sécurité, et permettent la mise en oeuvre de deux câbles redondants. En cas de défaut sur une voie de communication, les informations transitent par la voie parallèle. Ce dispositif améliore la disponibilité des équipements lors d'une défaillance des instruments. Il ne résout pas totalement le problème d'agression sur le câble lui-même dans la mesure où les câbles doublés utilisent en général le même cheminement. Le système selon la présente invention a pour objectif de remédier à cet état de choses. Il permet en effet d'assurer en permanence un cheminement des informations par voies différentes. Ainsi, sur détérioration ou destruction locale du support d'information, les informations utiliseront l'autre route, l'alerte sera transmise et le défaut localisé pour intervention de maintenance. Il est caractérisé par un bouclage en anneau de l'ensemble du réseau dans les zones exposées à des environnements agressifs, au moyen d'un câble véhiculant l'information et d'un câble assurant l'alimentation électrique des instruments, ces deux câbles pouvant n'en constituer qu'un seul et étant associés à des dispositifs matériels qui assurent l'isolement et la non propagation du défaut, et à des dispositifs logiciels prenant en charge la détection des défauts, leur localisation, et les mesures de substitution assurant la pérennité du fonctionnement de l'installation dans l'attente d'une intervention curative. Sur les dessins schématiques annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs de formes de réalisation de l'objet de l'invention: la figure 1 représente un réseau en fonctionnement normal, montrant le cheminement des informations émises par un poste relié au câble en boucle, la figure 2 est un agrandissement du détail D de la figure 1 montrant l'élément de raccordement assurant l'acheminement des informations, les figures 3 et 4 représentent respectivement un réseau comportant un défaut du câble ou de la partie du câble transmettant les informations, et un réseau comportant un défaut du câble ou de la partie du câble assurant l'alimentation électrique des postes raccordés, la figure 5 illustre une variante de réseau comportant une source unique d'alimentation électrique et la figure 6 représente une seconde variante dans laquelle plusieurs sources d'alimentation alimentent chacune une grappe d'instruments. Le dispositif, figures 1 à 6, est formé d'un réseau en double boucle, une boucle transmission 1 et une boucle alimentation électrique 2 sur lesquelles sont raccordés les dispositifs échangeant des informations sur le réseau, ou "abonnés" Ai, A2,...An.... Les dispositifs matériels et logiciels mis en oeuvre dans le cadre de l'invention prennent en compte la rupture éventuelle de ces conducteurs, leur mise en court-circuit et toute condition intermédiaire conduisant à la détérioration des performances, fuites entre conducteurs ou augmentation de la résistance série. Pour la transmission des informations, qui sont totalement numérisées, chaque abonné du réseau est raccordé à la boucle transmission 1 du câble à travers des éléments de couplage 3 assurant l'isolement galvanique vis-à-vis des deux branches du réseau. Ces éléments comportent des transformateurs d'impulsions 4 et des dispositifs électroniques de mise en forme des signaux, de façon à ce qu'un court circuit ou un circuit ouvert sur l'une des branches ne soient pas répercutés sur l'autre branche. En fonctionnement normal, chaque abonné Al,.., Az reçoit des informations qu'il répète à destination de l'abonné suivant, et qu'il utilise éventuellement s'il en est destinataire. Le suivant dans la chaîne répète le message et de proche en proche transmet l'information aux destinataires. Lorsqu'un abonné émet lui-même un message, à son initiative, ou en réponse à une requête issue d'un autre abonné, il le fait simultanément sur les deux branches du réseau (Figure 1). Certains messages peuvent exiger un accusé de réception, qui sera, le cas échéant, transmis de manière identique. Un abonné particulier, "la centrale" C, assure la supervision du réseau. Cette centrale possède également un double accès au réseau et "referme" l'anneau de façon logicielle. En fonctionnement normal, tous les messages qui transitent sur le réseau sont doublés et reçus sur les deux branches; la centrale vérifie la présence de chaque message et de son double, vérifie que les deux messages sont bien la réplique l'un de l'autre, et interrompt le cheminement. De la même façon, elle exploite les informations qui la concernent et émet ses propres messages simultanément sur les deux branches du réseau. En cas de rupture de continuité sur l'une ou l'autre branche, la centrale ne reçoit plus qu'un message pour chaque transaction, en provenance d'une seule branche. Elle assure alors la transmission vers l'autre branche des messages et accusés de réception (flèche 5). Dans le même temps, elle entreprend la localisation du défaut et le signale au système de supervision (Figure 3). L'application continue à fonctionner normalement, seul un message de défaut est généré localement par la centrale à destination des services de maintenance. Après réparation du réseau, les informations reprennent le cheminement normal. En ce qui concerne l'énergie électrique véhiculée par le réseau tous les "abonnés" peuvent être alimentés par deux connexions 6, 7 raccordées à la chaîne d'alimentation 2. En fonctionnement sans défaut, deux alimentations électriques El, E2 réparties le long du réseau fournissent l'énergie par deux chemins différents (figures 1, 3 et 4). Chaque abonné est équipé d'un moyen, tel que relais ou contacteur 8, permettant l'ouverture du circuit. En cas de discontinuité ou de surcharge anormale due, par exemple, à un court-circuit de la boucle d'alimentation 2, l'abonné détecte le défaut grâce à des moyens de test prévus à cet effet, ouvre le réseau d'alimentation afin d'éviter la propagation de l'incident et répercute l'information correspondante sur la centrale C et au-delà, aux services de maintenance. L'alimentation continue à être fournie par la branche saine du câble (Figure 4). Au cas où l'alimentation électrique est défaillante et plusieurs "abonnés" déconnectés, la centrale procède à la remise sous tension sélective des abonnés jusqu'à isoler le tronçon en défaut. De la même façon, elle localise et signale le défaut au système de supervision. Selon une première variante d'exécution, utilisable pour des réseaux d'importance limitée, la boucle d'alimentation 2 ne comporte qu'une seule source d'alimentation E (Figure 5). Selon une seconde variante d'exécution, la boucle d'alimentation 2 est en fait constituée d'une chaîne comportant plusieurs sources El, E2,... En, alimentant chacune une grappe d'abonnés Al, ..... .An (Figure 6). Cette variante permet d'avoir des sources d'alimentation distinctes afin d'assurer le fonctionnement de toutes les autres grappes lorsque l'une de ces sources d'alimentation est en défaut. Ces dernières peuvent être localisées sur le site ou dans une zone sûre telle qu'un local technique. Il est ainsi possible de dimensionner et de répartir les unités alimentations en fonction des puissances consommées par chaque capteur et en fonction des longueurs de câble (chute de tension en ligne). Chaque grappe peut être câblée rebouclée ou non, le rebouclage éventuel s'effectuant par exemple au moyen de boîtes de jonction 9 permettant de raccorder deux grappes (Figure 6). Pour les 4 variantes, les circuits d'alimentation électrique et de transmission des données sont soit dans le même câble, soit dans deux câbles distincts, en fonction des pertes en ligne et des puissances consommées. La possibilité d'interrompre la boucle d'alimentation 2 est mise à profit pour isoler électriquement à la demande un abonné du réseau. La centrale ou un terminal de maintenance du réseau émet un ordre d'ouverture du circuit d'alimentation vers les deux abonnés immédiatement en amont et en aval de la station à isoler. Les deux connexions 6, 7 d'alimentation sont alors interrompues. Ce dispositif est particulièrement avantageux pour les interventions en zone à risque d'explosion, sur du matériel antidéflagrant qui ne peut être ouvert sous tension. La mise hors tension sélective permet d'intervenir en sécurité sans interruption générale de l'alimentation électrique. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. REVENDICATIONS 10. Réseau de terrain à haute securité, applicable d'une manière générale à l'automatisation et la surveillance des procédés industriels, apte à transmettre, sur l'ensemble d'un site, des informations numérisées utilisables par plusieurs instruments simultanément, caractérisé par un bouclage en anneau de l'ensemble du réseau, constitué d'une boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et d'une boucle d'alimentation (2) raccordée à une ou plusieurs sources d'énergie électrique (El, E2,.. .En) réparties le long du réseau, chaque dispositif, ou "abonné" (Al, A2,.. An....), échangeant des informations sur le réseau étant raccordé, d'une part, à la boucle de transmission (1) à travers des éléments de couplage (3) assurant l'isolement galvanique vis-à-vis des deux branches du réseau et, d'autre part, à la boucle d'alimentation (2) par l'intermédiaire de deux connexions (6, 7) pouvant être isolées l'une de l'autre grâce à un moyen, tel que relais ou contacteur (8), permettant l'ouverture du circuit, un abonné particulier, "la centrale" (C), possédant également un double accès au réseau et refermant l'anneau de façon logicielle, assurant la supervision dudit réseau, l'ensemble étant associé à des dispositifs matériels assurant l'isolement et la non propagation des défauts, et à des dispositifs logiciels prenant en charge la détection de ces défauts, leur localisation, et les mesures de substitution assurant la pérennité du fonctionnement de l'installation. 2". Dispositif selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les informations numérisées transmises au réseau par un abonné (Ax), à son initiative ou en réponse à une requête issue d'un autre abonné, sont émises simultanément sur les deux branches dudit réseau. 30. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et la boucle d'alimentation (2) électrique sont constituées d'un câble unique. 40. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et la boucle d'alimentation (2) électrique sont constituées de deux câbles distincts. 50. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les éléments de couplage (3) comportent des transformateurs d'impulsions (4) et des dispositifs électroniques de mise en forme des signaux, de façon à ce qu'un court circuit ou un circuit ouvert sur l'une des branches du réseau ne soient pas répercutés sur l'autre branche. 60. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la centrale (C) est agencée pour interrompre, en fonctionnement normal, le cheminement des deux messages numérisés émis par un abonné (Ax) sur les deux branches du réseau après avoir vérifié qu'ils sont bien la réplique l'un de l'autre et, au contraire, assurer la transmission vers l'autre branche de l'information lorsqu'elle ne reçoit plus qu'un message pour chaque transaction, en provenance d'une seule branche. 70. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que chaque "abonné" (Ax) est pourvu de dispositifs de test permettant de détecter une discontinuité ou une surcharge anormale due, par exemple, à un court-circuit de la boucle d'alimentation (2) électrique, ledit abonné étant en outre équipé de moyens lui permettant de provoquer l'ouverture de réseau d'alimentation entre les deux connexions (6, 7) et de répercuter l'information correspondante à la centrale (C) et au-delà, aux services de maintenance. 80. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la centrale "C" est équipée de moyens matériels et logiciels aptes à interrompre la boucle d'alimentation (2) pour isoler électriquement à la demande un abonné (Ax) ou un tronçon défectueux de ladite boucle d'alimentation. 9 Dispositif selon la revendication 8, se caractérisant par le fait la centrale "C" est pourvue de dispositifs aptes à localiser une défaillance de la boucle d'alimentation (2) en procédant à la remise sous tension sélective des abonnés (Ax) jusqu'à isoler le tronçon en défaut. 100. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle d'alimentation (2) est raccordée à une source d'énergie électrique (E) unique. 110. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, se caractérisant par le fait que la boucle d'alimentation (2) est constituée d'une chaîne comportant plusieurs sources d'énergie électrique (El, E2,... En) alimentant chacune une grappe d'abonnés" (Al, A2,...An).