Brevet FR2817421A1 — publié le 20020531

i La présente invention concerne, de façon générale, les dispositifs de contrôle/commande pour appareils de levage, et plus particulièrement les dispositifs de sécurité tels que limiteurs de charge, de moment, de mouvement (levage, rotation, distribution, translation) ou de vitesse, prévus sur les appareils de levage tels que grues à tour. Plus particulièrement, I'invention se rapporte à la sécurisation du traitement du signal des capteurs de ces dispositifs de sécurité, le plus souvent réalisés sous la forme de capteurs de type analogique résistif, alimentés électriquement en courant continu. Parmi les systèmes de contrôle des dispositifs de sécurité des appareils de levage, on rencontre généralement des systèmes à capteurs analogiques dits "passifs", c'est-à-dire devant être alimentés pour fonctionner, par exemple des potentiomètres, des jauges ou des sondes, ces capteurs étant choisis en raison de leur faible coût, de leur technologie éprouvée et de leur maintenabilité. L'utilisation de ce genre de systèmes de contrôle, sur des appareils de levage, nécessite une sécurisation de la chaîne d'acquisition, qui conditionne et transmet le signal analogique délivré par un tel capteur passif. Pour sécuriser cette chaîne d'acquisition sur les appareils de levage, on utilise actuellement, comme seule solution connue, la redondance des circuits avec comparaison des valeurs acquises. Un tel système est notamment mis en application sur les grues à tour construites par la Société demanderesse POTAIN. Les inconvénients majeurs de cette solution existante en sont le coût, la complexité d'installation, et la disponibilité réduite du fait qu'elle conduit à doubler les risques de dysfonctionnement. La présente invention vise à éviter ces inconvénients, en fournissant une solution qui, pour une sécurisation identique, est notablement plus simple et plus économique, et diminue les risques de dysfonctionnement du système. A cet effet, I'invention a essentiellement pour objet un procédé pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité, plus particulièrement d'un signal délivré par un capteur de type analogique résistif, alimenté électriquement en courant continu, dans un dispositif de sécurité sur un appareil de levage, le signal analogique délivré par le capteur étant converti en un signal numérique dans un convertisseur analogique/numérique de résolution donnée, le procédé étant caractérisé en ce que - à un premier instant, un signal numérique correspondant au signal analogique délivré par le capteur est acquis et mémorisé, - puis les tensions d'alimentation du capteur sont inversées, - après cette inversion, à un instant ultérieur, un nouveau signal numérique correspondant au signal analogique délivré par le capteur est acquis, - il est procédé à la sommation des deux signaux numériques acquis, - la somme de ces deux signaux numériques est comparée à la résolution du convertisseur analogique/numérique, et - si cette somme est égale ou approximativement égale à la résolution du convertisseur, un signal de commande d'un actionneur de l'appareil de levage, correspondant à une consigne de commande, est autorisé ou - si ladite somme est significativement différente de la résolution du convertisseur, le signal de commande n'est pas autorisé. Ainsi, le principe de l'invention repose sur la possibilité de vérifier le fonctionnement de la chaîne d'acquisition du signal d'un capteur analogique résistif, par simple inversion des tensions d'Llimentation de ce capteur. En cas de fonctionnement correct, les deux signaux numériques, acquis respectivement avant et après cette inversion, sont "complémentaires", c'est-à-dire que leur somme est constante, et égale à la résolution du convertisseur analogique/numérique. Au contraire, en cas de dysfonctionnement, la somme des deux valeurs numériques considérées n'est plus égale à cette résolution, ce qui permet de détecter aisément ce dysfonctionnement. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé, objet de l'invention, le signal analogique, délivré par le capteur, est filtré et adapté, pour donner un signal analogique numérisable qui est le signal à convertir, avant et après inversion des tensions d'alimentation du capteur. Avantageusement, dans le cas o la somme calculée des deux signaux numériques est significativement différente de la résolution du convertisseur analogique/numérique, une signalisation est émise pour indiquer l'état de dysfonctionnement. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Ce dispositif se définit, essentiellement, comme un dispositif pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité, plus particulièrement du signal délivré par un capteur de type analogique résistif, alimenté électriquement en courant continu, dans un dispositif de sécurité sur un appareil de levage, le capteur étant relié à un convertisseur analogique/numérique de résolution donnée, qui convertit le signal analogique délivré par le capteur en un signal numérique, transmis à une unité de traitement arithmétique et logique qui reçoit aussi une consigne de commande, et qui est apte à délivrer un signal d'autorisation de commande d'un actionneur de mouvement de l'appareil de levage, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: - des moyens de commande d'inversion des tensions d'alimentation du capteur, des moyens d'acquisition des signaux numériques correspondant à des signaux analogiques délivrés par le capteur, respectivement avant et après inversion de ses tensions d'alimentation, - des moyens de sommation des deux signaux numériques acquis, et de comparaison de la somme de ces deux signaux à la résolution du convertisseur analogique/numérique, et - des moyens d'autorisation/interdiction de la commande de l'actionneur, correspondant à la consigne, selon le résultat de la comparaison de la somme précitée à la résolution du convertisseur. Le capteur étant notamment un potentiomètre, les moyens de commande d'inversion assurent dans ce cas l'inversion des tensions d'alimentation présentes aux bornes du potentiomètre. De préférence, un circuit de conditionnement analogique, destiné à filtrer et adapter le signal analogique délivré par le capteur, tel que potentiomètre, est intercalé entre ce capteur et le convertisseur analogique/numérique. Dans une forme de réalisation avantageuse du dispositif de l'invention, les moyens d'acquisition des deux signaux numériques, de sommation de ces signaux, de comparaison de la somme de ces signaux à la résolution du convertisseur analogique/numérique, et d'autorisation/interdiction de la commande selon le résultat de la comparaison, sont incorporés à l'unité de traitement arithmétique et logique précitée, cette dernière possédant une sortie reliée aux moyens de commande d'inversion des tensions d'alimentation du capteur, réalisés sous la forme d'un circuit d'inversion. Avantageusement, I'unité de traitement arithmétique et logique, incorporant (comme indiqué ci-dessus) les moyens d'acquisition des deux signaux numériques, de sommation de ces signaux et de comparaison de leur somme à la résolution du convertisseur, est réalisée sous la forme d'un microprocesseur. Grâce au procédé et au dispositif, objets de l'invention, il devient possible de mettre en oeuvre un seul capteur, au lieu de deux capteurs (pour redondance des circuits, selon la technique antérieure), tout en obtenant une sécurisation identique, voire même améliorée. L'invention conduit aussi à une simplification du câblage de l'appareil de levage concerné, puisqu'elle nécessite de câbler un seul capteur, au lieu de deux, d'o une économie. De plus, I'invention diminue les causes et risques de dysfonctionnement, du fait qu'elle met en oeuvre u-n seul circuit de sécurisation, au lieu de deux circuits. Enfin, le système proposé par cette invention est fiable pratiquement à 100%, et autocontrôlé: si le circuit de sécurisation est lui-même défaillant, il ne commande pas l'inversion de la tension d'alimentation du capteur, de sorte que la complémentarité des deux signaux numériques n'est plus assurée, si bien que le système se met en défaut. L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de ce dispositif pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité, sur des appareils de levage.: La figure 1 représente le dispositif objet de l'invention, sous la forme d'un schéma fonctionnel. La figure 2 est un organigramme qui illustre le fonctionnement de ce dispositif. La figure 1 représente un certain nombre d'éléments d'un système de contrôle/commande, connu en soi, auquel s'applique l'invention. Ainsi, le système comprend un capteur 2 de type analogique résistif, par exemple (comme illustré sur la figure) un potentiomètre, monté de façon convenable sur un appareil de levage. Le capteur 2 est alimenté électriquement par une tension continue (Vb - Va), Va et Vb désignant les tensions électriques respectivement présentes aux deux bornes extrêmes du potentiomètre. Le capteur 2 constitué par ce potentiomètre délivre un signal analogique Se, fonction de la position du curseur de ce potentiomètre. Le système comprend aussi un circuit de conditionnement analogique 3, destiné à filtrer les parasites et à adapter le signal du capteur 2. Ce circuit 3 reçoit à son entrée le signal Se, et il délivre à sa sortie un signal analogique Ss. Le système comprend encore un convertisseur analogique/numérique 4, de résolution R, cette résolution étant par exemple de 12 bits de sorte que ledit convertisseur peut délivrer des valeurs numériques de 0 à 4095. Ce convertisseur analogique/numérique 4 reçoit à son entrée le signal analogique adapté Ss, et il délivre à sa sortie un signal numérique, autrement dit un nombre entier n, correspondant au signal d'entrée Ss, donc au signal Se du capteur 2. Enfin, le système comprend de façon connue une unité de traitement arithmétique et logique 5, réalisable sous la forme d'un microprocesseur. L'unité 5 reçoit le signal numérique n délivré par le convertisseur 4. Elle reçoit aussi une consigne de commande Sc délivrée par l'opérateur de l'appareil de levage. Cette unité 5 délivre ou non un signal de commande Cm, afin d'autoriser ou non la commande d'un actionneur 6 du mouvement concerné de l'appareil de levage, I'actionneur 6 étant généralement un moteur, électrique ou hydraulique. Le dispositif de sécurisation, objet de l'invention, comprend aussi l'unité de traitement arithmétique et logique 5, en particulier sous la forme d'un microprocesseur, et une sortie spécifique 7 de cette unité 5. Ce dispositif comprend encore un circuit 8 d'inversion des tensions d'alimentation Va et Vb du capteur 2, la sortie 7 de l'unité 5 étant reliée à l'entrée du circuit 8. Le circuit d'inversion 8 possède deux sorties, sur lesquelles sont respectivement présentes les deux tensions Va et Vb, ces deux sorties étant respectivement raccordées aux deux bornes du potentiomètre constituant le capteur 2. L'unité de traitement arithmétique et logique 5 est prévue pour délivrer, sur sa sortie 7, un ordre Si d'inversion des tensions d'alimentation du capteur 2, selon un algorithme. Cet ordre Si est transmis au circuit d'inversion 8, qui commande alors l'inversion des tensions d'alimentation du capteur 2. Par exemple, avant l'inversion, les tensions aux sorties du circuit 8 sont: Va = - 5 volts et Vb = + 5 volts, tandis qu'après l'inversion, ces deux tensions deviennent, respectivement: Va = + 5 volts et Vb = - 5 volts. Le fonctionnement du dispositif, précédemment décrit, s'établit ainsi, dans le détail, de la manière suivante A un certain instant tl, le capteur 2 délivre un signal de mesure analogique Se, transformé d'abord par le circuit 3 en un signal analogique numérisable Ss, puis converti, dans le convertisseur 4, en une valeur numérique correspondante nl. L'unité 5 (microprocesseur) mémorise la valeur nl correspondant à l'instant tl, et elle délivre, sur sa sortie 7, le signal d'inversion Si. Recevant ce signal Si, le circuit d'inversion 8 commande l'inversion de l'alimentation du capteur 2. Ainsi, à un instant ultérieur t2, le capteur 2 délivre un signal analogique Se inversé, qui est lui aussi adapté par le circuit 3, puis converti en une valeur numérique correspondante n2. L'unité 5 (microprocesseur) acquiert cette nouvelle valeur n2. L'unité 5 (microprocesseur) somme les deux nombres nl et n2, et elle compare le résultat de la sommation, soit un nombre S = nl + n2, à la résolution R du convertisseur analogique/numérique 4. Si le fonctionnement du système est correct, les deux valeurs nl et n2, qui correspondent respectivement aux signaux Se du capteur 2 avant et après inversion de son alimentation, doivent être complémentaires, autrement dit leur somme S est égale ou approximativement égale à la résolution R du convertisseur 4. Dans ce cas, I'unité 5 (microprocesseur) autorise le signal Cm de commande de l'actionneur 6, correspondant à la consigne de commande Sc. Par contre, si le fonctionnement du système est incorrect, les deux valeurs nl et n2, correspondant respectivement aux signaux Se du capteur 2 avant et après inversion de son alimentation, ne sont plus complémentaires, autrement dit leur somme S devient significativement différente de la résolution R du convertisseur 4. Dans ce cas, I'unité 5 (microprocesseur) n'autorise plus le signal Cm, de sorte que la commande de l'actionneur 6 se trouve interdite. Simultanément, le dysfonctionnement ainsi détecté est pris en compte, et signalé à l'opérateur, par exemple par affichage sur un écran de contrôle. L'opérateur a alors la possibilité de constater le dysfonctionnement, et de valider éventuellement un mode de travail "dégradé". Le fonctionnement du dispositif est encore illustré par l'organigramme de la figure 2, ainsi que par le tableau ci-après, dans lequel sont indiquées les valeurs nl et n2, respectivement avant et après inversion de l'alimentation du capteur, et leur somme S, pour les valeurs extrêmes, la valeur médiane et une valeur quelconque de la position de commande; ce tableau se réfère à l'état normal du système, dans lequel la somme S = nl + n2 est égale à la résolution R. Position Signal capteur Nombre (nl) Inversion des Nombre (n2) Somme commande (Se) alimentations (S) (Se'=-Se) = nl+n2 Valeur Se=Va nl =0 Se=-Va=Vb n2=R nl +n2= extrême R Valeur Se=0 nl =R/2 Se=0 n2=R/2 nl +n2= médiane R Valeur Se=Vb nl =R Se=-Vb=Va n2=0 nl +n2= extrême R Valeur Va qui est aussi une zone de non-risque en utilisation. De plus, le système est auto-contrôlé car, si le dispositif de sécurisation est lui-même défaillant, il ne commande pas l'inversion de l'alimentation du capteur 2, de sorte que la complémentarité des signaux Se de ce capteur, donc des valeurs nl et n2, n'est plus assurée. Le système se met alors aussi, automatiquement, en défaut. Le procédé et le dispositif, objets de l'invention, sont applicables à tous types de sécurité utilisant des capteurs analogiques passifs, équipant des appareils de levage et notamment des grues à tour. Il peut s'agir de dispositifs de sécurité liés à l'utilisation de la grue, en travail: limiteurs de charge, de moment, de mouvement (levage, rotation, distribution translation). Il peut aussi s'agir de fonctions plus particulières telles que: contrôle de la cinématique de montage de la grue (par exemple: dépliage simultané de la flèche et du mât), contrôle de stabilité (par exemple inclinomètre avec vérins), contrôle d'organes métalliques (par exemple contrôle de la tension du câble de distribution), ou autres fonctions de contrôle. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité qui a été décrite cidessus, à titre d'exemple. Elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application mettant en oeuvre le même procédé. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en utilisant tous moyens réalisant les opérations de calcul et les opérations logiques, que sont l'addition des valeurs nl et n2 et la comparaison de leur somme. Dans le même ordre d'idées, I'invention reste applicable à des appareils de levage de toutes sortes, son domaine d'application n'étant pas limité aux grues à tour. Enfin, bien que l'invention ait été décrite en considérant le traitement du signal issu d'un unique capteur, il apparaîtra clairement à l'homme du métier que les mêmes composants, tels que le convertisseur 4, I'unité de traitement arithmétique et logique 5 et le circuit d'inversion 8, peuvent aussi être communs à plusieurs capteurs (équipant le même appareil de levage), et traiter dans ce cas les signaux délivrés par tous ces capteurs. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité, plus particulièrement d'un signal (Se) délivré par un'capteur (2) de type analogique résistif, alimenté électriquement en courant continu, dans un dispositif de sécurité sur un appareil de levage, le signal analogique (Se) délivré par le capteur (2) étant converti en un signal numérique (n) dans un convertisseur analogique/numérique (4) de résolution donnée (R), le procédé étant caractérisé en ce que: - à un premier instant (tl), un signal numérique (nl) correspondant au signal analogique (Se) délivré par le capteur (2) est acquis et mémorisé, - puis les tensions d'alimentation (Va, Vb) du capteur (2) sont inversées, - après cette inversion, à un instant ultérieur (t2), un nouveau signal numérique (n2) correspondant au signal analogique (Se') délivré par le capteur (2) est acquis, - il est procédé à la sommation des deux signaux numériques (nl, n2) acquis, - la somme (S) de ces deux signaux numériques est comparée à la résolution (R) du convertisseur analogique/numérique (4), et - si cette somme (S) est égale ou approximativement égale à la résolution (R) du convertisseur (4), un signal de commande (Cm) d'un actionneur (6) de l'appareil de levage, correspondant à une consigne de commande (Sc), est autorisé, ou - si ladite somme (S) est significativement différente de la résolution (R) du convertisseur (4), le signal de commande (Cm) n'est pas autorisé. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal analogique (Se), délivré par le capteur (2), est filtré et adapté, pour donner un signal analogique numérisable (Ss) qui est le signal à convertir, avant et après inversion des tensions d'alimentation du capteur (2). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas o la somme (S) des deux signaux numériques (nl, n2) est l1 significativement différente de la résolution (R) du convertisseur analogique/numérique (4), une signalisation est émise pour indiquer l'état de dysfonctionnement. 4 - Dispositif pour la sécurisation du traitement de signaux de sécurité, plus particulièrement du signal (Se) délivré par un capteur (2) de type analogique résistif, alimenté électriquement en courant continu, dans un dispositif de sécurité sur un appareil de levage, le capteur (2) étant relié à un convertisseur analogique/numérique (4) de résolution donnée (R) , qui convertit le signal analogique (Se) délivré par le capteur (2) en un signal numérique (n), transmis à une unité de traitement arithmétique et logique (5) qui reçoit aussi une consigne de commande (Sc), et qui est apte à délivrer un signal d'autorisation de commande (Cm) d'un actionneur de mouvement (6) de l'appareil de levage, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: - des moyens (7, 8) de commande d'inversion des tensions d'alimentation (Va, Vb) du capteur (2), - des moyens (5) d'acquisition des signaux numériques (nl, n2) correspondant à des signaux analogiques (Se, Se') délivrés par le capteur (2), respectivement avant et après inversion de ses tensions d'alimentation, des moyens (5) de sommation des deux signaux numériques (nl, n2) acquis, et de comparaison de la somme (S) de ces deux signaux à la résolution (R) du convertisseur analogique/numérique (4), et - des moyens d'autorisation/interdiction de la commande (Cm) de l'actionneur (6), correspondant à la consigne (Sc), selon le résultat de la comparaison de la somme (S) précitée à la résolution (R) du convertisseur (4). - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (2) est un potentiomètre, les moyens de commande d'inversion (7, 8) assurant l'inversion des tensions d'alimentation (Va, Vb) présentes aux bornes du potentiomètre. 6- Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un circuit de conditionnement analogique (3), destiné à filtrer et adapter le signal analogique (Se) délivré par le capteur (2), est intercalé entre ce capteur (2) et le convertisseur analogique/numérique (4). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition des deux signaux numériques (nl, n2), de sommation de ces signaux (nl, n2), de comparaison de la somme (S) de ces signaux à la résolution (R) du convertisseur analogique/numérique (4), et d'autorisation/interdiction de la commande (Cm) selon le résultat de la comparaison, sont incorporés à l'unité de traitement arithmétique et logique (5), cette dernière possédant une sortie (7) reliée aux moyens (8) de commande d'inversion des tensions d'alimentation (Va, Vb) du capteur (2), réalisés sous la forme d'un circuit d'inversion (8). 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de traitement arithmétique et logique (5), incorporant les moyens d'acquisition des deux signaux numériques (nl, n2), de sommation de ces signaux (nl, n2) et de comparaison de leur somme (S) à la résolution (R)du convertisseur (4), est réalisée sous la forme d'un microprocesseur. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des dispositifs de sécurité tels que limiteurs de charge, de moment, de mouvement ou de vitesse, ou à des fonctions de contrôle, prévus sur des grues à tour, et utilisant des capteurs analogiques passifs (2).