Brevet FR2786906A1 — publié le 20000609

La présente invention se rapporte de façon générale à l'instrumentation industrielle, et elle a pour objet un système transmetteur/convertisseur pour mesures industrielles. Cette invention s'applique, notamment mais non exclusivement, à la mesure de grandeurs électriques relatives aux réseaux électriques monophasés ou triphasés (tension, intensité, puissances, énergies, etc...), ainsi qu'à la mesure de signaux issus de capteurs industriels, et pouvant représenter des grandeurs diverses telles que: température, pression, débit, vitesse, etc... Le système objet de l'invention assure l'acquisition de telles mesures et leur traitement (isolation électrique, linéarisation, etc...), afin de rendre ces mesures disponibles pour d'autres systèmes, tels que régulateurs, superviseurs, automates, etc... ou tout simplement pour un opérateur humain, en affichant les mesures. Le rôle principal de ce type de systèmes transmetteurs/convertisseurs est ainsi d'acquérir et de traiter les signaux de mesure, pour qu'un ou plusieurs autres systèmes situés en aval puissent les exploiter. Ceci est réalisé au travers d'interfaces, qui sont généralement: des moyens d'affichage pour un opérateur, des sorties analogiques, des sorties à relais, des sorties à génération d'impulsions, des sorties numériques sur réseau de terrain, des sorties sur imprimante, des sorties vers un système de sauvegarde, ou toutes autres sorties. Toutes ces options, très diverses, sont fonction des applications des utilisateurs, et la diversité ici demandée impose une modularité des interfaces d'entrée et de sortie, au sein ou autour d'une unité centrale de mesure. Une solution connue, consistant à intégrer ces interfaces au sein d'un même boîtier contenant l'unité centrale, limite physiquement le nombre d'options possible. Les autres solutions actuelles, qui offrent plus de modularité, sont basées sur le principe de la combinaison d'une unité centrale qui effectue les mesures, et de modules extérieurs indépendants qui échangent des données avec l'unité centrale. Les modules sont connectés à l'unité centrale par des liaisons filiaires, aboutissant à des connecteurs électriques, ou par des liaisons optiques du genre fibres optiques. La première solution, de type électrique, possède pour inconvénients: - un manque d'immunité aux perturbations électromagnétiques rayonnées sur les câbles de liaison; - un manque d'immunité aux décharges électrostatiques sur ces câbles ou sur les connecteurs; - la nécessité de respecter un schéma électrique de branchement, ce qui constitue une source d'erreur en cas d'inversion de branchement; - une moins bonne isolation galvanique qu'une liaison optique. La deuxième solution, de type optique, s'affranchit des perturbations électromagnétiques et électrostatiques, ainsi que des problèmes d'isolation galvanique, et elle limite aussi les problèmes de branchement car la notion de polarité n'intervient plus. Cependant, cette solution possède des inconvénients de mise en oeuvre et de maintenance, pour les raccordements, car on ne câble pas aussi facilement une fibre optique qu'un fil électrique. Le but de l'invention est de conserver au maximum les avantages des deux types de solutions existantes, rappelées ci-dessus, tout en supprimant leurs inconvénients, en fournissant un système transmetteur/convertisseur qui possède une excellente immunité aux perturbations électromagnétiques et électrostatiques, ainsi qu'une excellente isolation galvanique, tout en présentant une grande facilité de mise en oeuvre et de maintenance. A cet effet, la présente invention a essentiellement pour objet un système transmetteur/convertisseur pour mesures industrielles, composé d'une unité centrale de mesure et de modules d'entrée et de sortie, extérieures à l'unité centrale, qui possèdent des liaisons avec ladite unité centrale pour la communication avec celle-ci, notamment pour le transfert de données, le système étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de communication par rayonnement optique, sans contact physique, entre l'unité centrale et au moins certains des modules extérieurs d'entrée et de sortie. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les moyens de communication entre l'unité centrale et au moins certains des module extérieurs d'entrée et de sortie sont constitués par des liaisons de type infrarouge. Ainsi, la liaison proposée entre l'unité centrale et les modules extérieurs d'entrée et de sortie, pour l'échange de données entre ces éléments constitutifs du système, reste de nature optique mais ne comporte plus de support physique, puisqu'il s'agit d'une liaison par rayonnement, notamment par rayonnement infrarouge. Une telle liaison, sans fil, assure naturellement une excellente immunité aux perturbations électromagnétiques et électrostatiques, et elle procure aussi une excellente isolation galvanique entre les différents éléments constitutifs du système, à savoir l'unité centrale et les modules d'entrée et de sortie, puisque tout contact physique entre ces éléments est supprimé. De plus, I'invention offre une grande facilité de mise en oeuvre, puisqu'il n'y a plus de branchements ou raccordements à effectuer, ce qui supprime les problèmes d'erreurs de branchement rencontrés avec les liaisons filaires, et évite aussi les précautions de manipulation mécanique à respecter dans le cas des systèmes à fibres optiques. Enfin, la conception du système transmetteur/convertisseur selon l'invention ne crée, lors de l'insertion ou du retrait d'un module d'entrée ou de sortie, aucune perturbation pour la communication entre l'unité centrale et les autres modules. Selon un mode d'exécution préféré du système objet de l'invention, I'unité centrale, de même que les modules d'entrée et de sortie appelés à communiquer par rayonnement optique avec cette unité centrale, comportent chacun, sur au moins une face de leur boîtier, un ensemble composé d'un émetteur et d'un récepteur optiques, notamment un émetteur et un récepteur infrarouge, de manière à permettre une communication bidirectionnelle entre l'unité centrale et un module extérieur, ou entre deux modules, dont les émetteurs et récepteurs respectifs sont disposés face à face. Avantageusement, I'unité centrale est équipée de deux ensembles émetteurrécepteur, placés respectivement sur deux faces opposées de son boîtier, telles que deux faces latérales opposées, et au moins certains des modules d'entrée et de sortie sont, de même, équipés de deux ensembles émetteur-récepteur placés respectivement sur deux faces opposées de leurs boîtiers, de manière à permettre une communication bidirectionnelle entre l'unité centrale et une pluralité de modules d'entrée et de sortie alignés. Ainsi, le système peut notamment prendre une configuration selon laquelle l'unité centrale est flanquée, sur ses côtés droit et gauche, d'une pluralité de modules d'entrée et de sortie, dont les ensembles émetteur-récepteur infrarouge sont situés en correspondance, permettant ainsi à chaque module non seulement de communiquer avec l'unité centrale, mais aussi (s'il s'agit d'un module situé en position intermédiaire) de transmettre vers un module suivant les données qu'il reçoit depuis l'unité centrale, et inversement de ramener vers l'unité centrale les données émanant d'un module voisin, les données transitant ainsi au travers des modules, de façon bidirectionnelle. Dans cette configuration, les modules peuvent être accolés les uns aux autres, ainsi qu'à l'unité centrale. Ces modules peuvent aussi être séparés les uns des autres, ainsi que de l'unité centrale, d'une distance plus ou moins importante, pouvant atteindre un mètre ou plus, la seule contrainte mécanique à respecter étant l'alignement des éléments (unité centrale et modules), ce qui peut être obtenu, en pratique, par un montage de tous ces éléments sur un même rail généralement horizontal, ou autre support, à l'intérieur d'une armoire électrique. Toutefois, pour ne pas limiter le nombre de modules à ce qu'autorise la longueur d'un rail-support ou la largeur d'une armoire électrique, on prévoit, dans une variante de l'invention, au moins une paire de modules de renvoi qui comportent chacun, sur une face, un ensemble composé d'un émetteur et d'un récepteur optiques, les deux modules de renvoi d'une même paire étant reliés l'un à l'autre par un câble électrique de préférence blindé, ou par une liaison à fibre optique. Ces modules de renvoi permettent la disposition de modules supplémentaires d'entrée et/ou de sortie, selon un alignement différent de l'alignement formé par l'unité centrale et par les précédents modules d'entrée et de sortie, par exemple sur un rail différent, dans la même armoire ou dans une autre armoire, en permettant ainsi l'extension du système. Selon une autre variante, représentant une possibilité supplémentaire d'extension du système, les moyens de communication par rayonnement optique, entre l'unité centrale et les modules d'entrée et de sortie, sont aussi utilisés pour réaliser un couplage optique entre l'un au moins de ces éléments et un élément d'une autre nature, tel qu'un automate programmable, associé audit système. D'une façon générale, associé ou non à ce dernier type d'application, le système transmetteur/convertisseur permet, grâce à son mode original de transfert de données: - de ne pas avoir de contraintes mécaniques pour la liaison entre l'unité centrale et les différents modules, en comparaison avec d'autres solutions utilisant des nappes de fils ou de fibres optiques de liaison, et nécessitant des connecteurs; - d'offrir une isolation, donc une sécurité, garantie entre l'unité centrale, qui peut mesurer des courants électriques par exemple triphasés de fortes valeurs, et les modules servant d'interface avec l'utilisateur ou l'exploitation des mesures; - d'offrir une meilleure immunité aux parasites, pour ainsi sécuriser encore davantage le transfert des données entre l'unité centrale et les différents modules; - d'offrir aussi une modularité accrue et aisée, permettant l'ajout ou la suppression de modules d'entrée ou de sortie, voire d'autres types d'appareils (liaison avec automate programmable). De toute façon, I'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce système transmetteur/convertisseur pour mesures industrielles: Figure 1 est une vue d'ensemble, de face, d'un système conforme à la présente invention; Figure 2 est un schéma-bloc de l'unité centrale du système de figure 1; Figure 3 est un schéma-bloc d'un module d'entrée ou de sortie de ce système; Figure 4 est une vue en perspective d'un tel module Figure 5 est une vue de face d'un autre système selon l'invention, avec modules de renvoi. Comme le montre la figure 1, le système transmetteur/convertisseur comprend principalement une unité centrale de mesure 1, appelée aussi plus simplement "unité centrale", et une pluralité de modules extérieurs à l'unité centrale 1, parmi lesquels on distingue un ou plusieurs modules d'entrée 2, et un ou plusieurs modules de sortie 3. L'unité centrale 1 a pour rôle de mesurer, selon les applications, une ou plusieurs grandeurs physiques, de nature diverse o10 (grandeurs électriques, températures, vitesses, etc...), et de gérer la communication, au sens de l'échange de données, entre cette unité centrale 1 et les différents modules extérieurs 2 et 3. D'une façcon générale, le ou les modules d'entrée 2 mesurent et transmettent des signaux issus de capteurs reliés à ces modules 2, et représentatifs des grandeurs physiques à mesurer. Ainsi, dans l'exemple illustré par la figure 1 qui est un système de mesure de température, le module d'entrée 2 unique est relié à un capteur de température 4. Ce module d'entrée 2 rend la mesure de température disponible pour l'unité centrale 1, qui peut alors récupérer et renvoyer ladite mesure de température vers les modules de sortie 3. Dans l'exemple illustré par la figure 1, les modules de sortie 3, au nombre de deux, comprennent d'une part un module de sortie 3 analogique, relié à un galvanomètre 5 qui permet une lecture directe analogique de la température mesurée, et d'autre part un module de sortie 3 numérique, relié à une afficheur numérique 6 donnant une lecture directe numérique de la même température mesurée. L'unité centrale 1 possède un boîtier 7 de forme générale parallélépipédique, sur les deux faces latérales opposées 8 et 9 (faces gauche et droite) duquel sont prévus, respectivement, deux ensembles composés chacun d'un émetteur infrarouge 10 et d'un récepteur infrarouge 11, comme symbolisé sur le schéma-bloc de la figure 2. L'unité centrale 1 gère la communication sous la forme de signaux électriques, et elle émet ou reçoit les données sous forme de signaux infrarouge, au travers de ses émetteurs 10 qui convertissent des signaux électriques en rayonnement infrarouge, et de ses récepteurs 11 qui convertissent le rayonnement infrarouge en signaux électriques. A cet effet, I'unité centrale 1 comporte un bloc électronique de gestion de communication 12, un micro-contrôleur 13 et un bloc électronique 14 de gestion des entrées/sorties, ainsi qu'un bloc d'alimentation électrique 15. Des liaisons électriques 16, internes à l'unité centrale 1, assurent la liaison de chaque récepteur infrarouge 11 avec l'émetteur infrarouge 10 de l'autre ensemble émetteur-récepteur, ainsi que la liaison des émetteurs 10 et récepteurs 11 avec le bloc de gestion de communication 12. Chaque module 2 ou 3, qu'il s'agisse d'un module d'entrée ou de sortie, possède lui aussi un boîtier 17 de forme générale parallélépipédique, sur les deux faces latérales opposées 18 et 19 (faces gauche et droite) duquel sont encore prévus, respectivement, deux ensembles composés chacun d'un émetteur infrarouge 20 et d'un récepteur infrarouge 21, comme symbolisé sur le schéma-bloc de la figure 3. Le module d'entrée 2 ou de sortie 3 comporte aussi un bloc électronique de gestion de communication 22, un micro-contrôleur 23 et un bloc électronique 24 de gestion des entrées-sorties, ainsi qu'une alimentation électrique 25. Des liaisons électriques interne 26 assurent la liaison de chaque récepteur infrarouge 21 avec l'émetteur infrarouge 20 de I'autre ensemble émetteur-récepteur, ainsi que la liaison des émetteurs 20 et récepteurs 21 avec le bloc de gestion de communication 22. Ainsi, le rayonnement infrarouge capté par chaque récepteur 21 est converti en un signal électrique, pour que le micro-contrôleur 23 puisse analyser et gérer les informations transmises, ce signal électrique étant aussi transmis à l'émetteur 20 situé sur le côté opposé, pour être reconverti en rayonnement infrarouge et transmis au-delà, vers un autre module 2 ou 3 ou vers l'unité centrale 1. Comme le montre la figure 4, sur chaque côté droit ou gauche d'un module 2 ou 3, I'émetteur infrarouge 20 et le récepteur infrarouge 21 sont placés l'un à proximité de l'autre, derrière une fenêtre de protection 27 commune, transparente au rayonnement infrarouge. Cette figure montrant la fenêtre 27 située sur la face latérale gauche 18 du boîtier 17, on notera que la fenêtre correspondante prévue sur la face latérale droite (ici non visible) est située en même position. De la même manière, les deux ensembles émetteur 10-récepteur 1 1 de l'unité centrale 1 sont placés dans des positions similaires sur les faces latérales gauche 8 et droite 9 du boîtier 7 de cette unité centrale 1. En se référant de nouveau à la figure 1, il convient de noter que l'unité centrale 1 et les modules extérieurs 2 et 3 sont disposés en alignement, par exemple sur un même rail-support horizontal (non représenté), à l'intérieur d'une armoire électrique logeant le système. L'unique module d'entrée 2 est ici situé à gauche de l'unité centrale 1, la fenêtre présente sur la face latérale gauche 8 du boîtier 7 de l'unité centrale 1 étant située face à la fenêtre correspondante prévue sur la face latérale droite 19 du boîtier 17 du module d'entrée 2. L'unité centrale 1 et le module d'entrée 2 peuvent ainsi échanger des données, par rayonnement infrarouge et de manière bidirectionnelle, comme le symbolisent les flèches 28 et 29. Les deux modules de sortie 3 sont disposés, I'un à la suite de I'autre, sur le côté droit de l'unité centrale 1, de sorte que la fenêtre gauche du premier module de sortie 3 se trouve en face de la fenêtre droite de l'unité centrale 1, tandis que la fenêtre droite du premier module de sortie 3 se situe en face de la fenêtre gauche du second module de sortie 3. Ainsi, I'unité centrale 1 échange des données par rayonnement infrarouge, de manière bidirectionnelle (voir les flèches 30 et 31), d'une manière directe avec le premier module de sortie 3, et d'une manière indirecte (c'est-à-dire par l'intermédiaire du premier module de sortie 3) avec le second module de sortie 3. La figure 5 montre une variante, découlant de la forme de réalisation précédemment décrite, dans laquelle le système comporte un premier alignement horizontal comprenant une unité centrale 1, un module d'entrée 2 et un module de sortie 3, complété par un deuxième alignement horizontal, comprenant deux modules de sortie supplémentaires 3' et 3". Ce deuxième alignement peut être supporté par un autre rail, situé au- dessous du premier alignement, à l'intérieur d'une même armoire. Pour assurer ici la liaison entre l'unité centrale 1 et tous les modules de sortie 3, 3', 3", il est prévu une paire de modules de renvoi 32 et 33. Le premier module de renvoi 32, équipé (sur son côté gauche) d'un unique ensemble émetteur-récepteur, est accolé au module de sortie 3 adjacent à l'unité centrale 1. Le second module de renvoi 33, équipé lui aussi (mais sur son côté droit) d'un unique ensemble émetteur-récepteur, est accolé au module de sortie 3' de l'alignement inférieur. Les deux modules de renvoi 32 et 33 sont reliés l'un à l'autre par un câble électrique blindé 34, ou par une fibre optique. Dans le cas d'un câble de liaison 34, le premier module de renvoi 32 transforme les données, véhiculées par le rayonnement infrarouge dans l'alignement supérieur (unité centrale 1 et modules 2 et 3), en signaux électriques que le second module de renvoi 33 reconvertit en rayonnement infrarouge, pour communiquer avec les modules 3' et 3" de l'alignement inférieur. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce système transmetteur/convertisseur pour mesures industrielles qui ont déjà été décrites ci-dessus, à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention: - en réalisant la communication, entre unité centrale et modules extérieurs, par un rayonnement optique de longueur d'onde appropriée, autre qu'infrarouge, avec mise en oeuvre d'émetteurs et récepteurs appropriées; - en modifiant le nombre des modules d'entrée et de sortie, ainsi que leur répartition de part et d'autre de l'unité centrale; - en prévoyant des modules d'entrée et de sortie de toute nature, selon les grandeurs physiques à mesurer et selon les éléments extérieurs à raccorder en sortie du système de mesure, ces modules pouvant posséder des boîtiers de toutes formes et dimensions; - en décalant plus ou moins l'unité centrale et/ou les modules, les uns par rapport aux autres, au lieu de les aligner rigoureusement, du moment que leurs fenêtres sont disposées de manière que les émetteurs et récepteurs respectifs soient aptes à communiquer entre eux; - en empilant verticalement l'unité centrale et les modules d'entrée et de sortie, au lieu de les aligner horizontalement, les fenêtres étant alors situées sur les faces supérieures et inférieures des boîtiers -en réalisant l'unité centrale elle-même sous la forme d'un automate programmable, ou autre dispositif "intelligent", ou encore comme partie d'un tel automate; -dans le cas d'un système avec modules de renvoi, en prévoyant des alignements plus ou moins nombreux de modules, logés dans une même armoire électrique ou répartis entre deux ou plusieurs armoires différentes, la liaison entre armoires étant alors assurée par câble électrique ou par fibre optique. REVENDICATIONS 1 - Système transmetteur/convertisseur pour mesures industrielles, composé d'une unité centrale de mesure (1) et de modules d'entrée (2) et de sortie (3), extérieurs à l'unité centrale (1), qui possèdent des liaisons avec ladite unité centrale (1) pour la communication avec celle- ci, notamment pour le transfert de données, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de communication par rayonnement optique (28 à 31), sans contact physique, entre l'unité centrale (1) et au moins certains I0 des modules extérieurs d'entrée et de sortie (2,3). 2 - Système transmetteur/convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de communication entre l'unité centrale (1) et au moins certains des modules extérieurs d'entrée et de sortie (2, 3) sont constitués par des liaisons de type infrarouge (28 à 31). 3 - Système transmetteur/convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité centrale (1), de même que les modules d'entrée (2) et de sortie (3) appelés à communiquer par rayonnement optique avec cette unité centrale (1), comportant chacun, sur au moins une face (8,9; 18,19) de leur boîtier (7; 17), un ensemble composé d'un émetteur et d'un récepteur optiques (10,11; 20,21), notamment un émetteur et un récepteur infrarouge, de manière à permettre une communication bidirectionnelle (28 à 31) entre l'unité centrale (1) et un module extérieur (2, 3), ou entre deux modules (3), dont les émetteurs et récepteurs respectifs (10,11; 20,21) sont disposés face à face. 4- Système transmetteur/convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité centrale (1) est équipée de deux ensembles émetteur-récepteur (10, 11) placés respectivement sur deux faces opposées de son boîtier (7), telles que deux faces latérales opposées (8, 9), et en ce qu'au moins certains des modules d'entrée et de sortie (2, 3) sont, de même, équipés de deux ensembles émetteur-récepteur (20,21) placés respectivement sur deux faces opposées (18,19) de leurs boîtiers (17), de manière à permettre une communication bidirectionnelle (28 à 31) entre l'unité centrale (1) et une pluralité de modules d'entrée et de sortie (2,3) alignés. - Système transmetteur/convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour chaque ensemble émetteur-récepteur de l'unité centrale (1) ou d'un module d'entrée (2) ou de sortie (3), l'émetteur infrarouge et le récepteur infrarouge (10,11; 20,21) sont placés l'un à proximité de l'autre, derrière une fenêtre de protection (27) commune, transparente au rayonnement infrarouge, prévue sur une face latérale (8,9; 18,19) du boîtier respectif (7; 17). 6 - Système transmetteur/convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend encore au moins une paire de modules de renvoi (32,33) qui comportent chacun, sur une face, un ensemble composé d'un émetteur et d'un récepteur optiques, les deux modules de renvoi (32,33) d'une même paire étant reliés l'un à l'autre par un câble électrique (34) de préférence blindé, ou par une liaison à fibre optique, lesdits modules de renvoi (32,33) permettant la disposition de modules supplémentaires d'entrée et/ou de sortie (3',3"), suivant un alignement distinct de l'alignement formé par l'unité centrale (1) et par les précédents modules d'entrée et de sortie (2,3). 7 - Système transmetteur/convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de communication par rayonnement optique sont aussi utilisés pour réaliser un couplage optique entre l'un au moins de ses éléments, à savoir unité centrale (1) et modules d'entrée et de sortie (2,3), et un élément d'une autre nature, tel qu'automate programmable, associé audit système.