Brevet FR2826433A1 — publié le 20021227

L'invention concerne un dispositif de sécurité pour chaudière industrielle comprenant des relais électromécaniques connectés pour former une chaîne de sécurité électromécanique. L'invention s'applique en particulier aux chaudières industrielles comprenant par exemple un brûleur à gaz pour produire de la vapeur ou de l'eau surchauffée. De telles chaudières sont munies d'un dispositif de sécurité qui est interposé entre un ou plusieurs capteurs et un ou plusieurs actionneurs montés sur la chaudière pour déclencher via les actionneurs un arrêt de la chaudière quand au moins un capteur détecte un défaut de fonctionnement de la chaudière. Ce défaut peut être une pression excessive, un niveau d'eau trop bas ou un problème dans la flamme du brûleur. Plus particulièrement, un tel dispositif de sécurité est apte à ouvrir un circuit d'alimentation des actionneurs sur détection d'un défaut par un capteur. Les actionneurs qui peuvent être par exemple des électrovannes sont conçus pour déclencher un arrêt de la chaudière dès qu'ils ne sont plus alimentés en courant par le circuit d'alimentation. Chaque capteur fournit un courant électrique alternatif sous 230 Volts au dispositif de sécurité en cas de fonctionnement normal de la chaudière et ne fournit pas ce courant en cas de détection d'un défaut. Un tel agencement forme une sécurité dite "positive"dans laquelle une rupture d'alimentation électrique déclenche l'arrêt de la chaudière. Dans ce dispositif de sécurité, à chaque capteur correspond un relais qui est maintenu sous tension lorsqu'il est alimenté par le courant fourni par le capteur correspondant et les contacts des relais correspondant aux différents capteurs sont par exemple connectés en série pour former une chaîne de sécurité électromécanique sous la forme d'une logique câblée. Le circuit électrique correspondant à cette chaîne de sécurité électromécanique est fermé en cas de fonctionnement normal de la chaudière et est ouvert en cas d'anomalie dans celle-ci. Il est connu dans un tel dispositif de sécurité d'adjoindre à la chaîne de sécurité électromécanique une chaîne de sécurité dite informatique fonctionnant en parallèle et de manière redondante à la chaîne de sécurité électromécanique lorsque l'automatisme et la régulation de la chaudière deviennent complexes et nécessitent l'utilisation d'un automate programmable industriel. La chaîne de sécurité informatique est constituée généralement d'un circuit de traitement de données comme un microprocesseur qui reçoit en entrée les signaux électriques produits par les capteurs et convertis en signaux informatiques sous 5 volts et qui alimente à travers un transistor commandant un relais le circuit d'alimentation électrique des actionneurs. La sortie du circuit de traitement de données est par exemple câblée en série dans la chaîne de sécurité électromécanique qui constitue la chaîne de sécurité principale. Des normes exigent que le bon fonctionnement des capteurs de sécurité avec leur relais associé soit vérifié périodiquement. Cette prescription entraîne la mise en place de dispositions importantes qui sont assurées en général, une partie en relayage câblée pour tout ce qui traite directement de la sécurité et l'autre partie par un système à microprocesseur pour tout ce qui concerne les procédures et leur suivi. Lorsque deux chaînes de sécurité redondantes sont mises en place, la deuxième chaîne de sécurité (informatique) est généralement traitée dans le système à microprocesseur mais ce dernier doit être indépendant et distinct de tout appareil de conduite et d'automatisme de la chaudière. En conséquence, les dispositions à prendre actuellement et mises en place sont de plus en plus importantes et compliquées avec des relais, des boîtiers spécifiques, du câblage, des systèmes à microprocesseur ne communicant entre eux que par des contacts électriques câblés. En plus, il existe des risques qu'un opérateur intervienne malencontreusement dans la logique câblée de la chaîne de sécurité électromécanique lors de la vérification du bon fonctionnement des capteurs de sécurité jusqu'à bloquer un relais en position fermée ce qui est très préjudiciable pour la sécurité du fonctionnement de la chaudière. D'autre part, la norme NF D36504 plus particulièrement spécifie (ch 4.2) que l'évaluation de la sûreté de fonctionnement d'une chaîne de sécurité informatique doit s'effectuer par une procédure d'essai spécifique, en injectant directement sur l'équipement des erreurs dans le but de simuler un défaut interne : une défaillance de tous les bits mémoire pris un à un est simulée. Un tel test est particulièrement long à exécuter, alourdit considérablement les essais qui précèdent la première mise en service d'une telle chaudière et augmente d'autant son coût. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de sécurité pour chaudière industrielle comprenant des relais électromécaniques connectés pour former une chaîne de sécurité électromécanique, caractérisé en ce que les relais sont montés sur un support sous la forme d'une carte de circuit imprimé. Avec cet agencement, les liaisons électriques entre les relais sont constituées par les pistes du circuit imprimé de sorte qu'il n'est plus possible pour un opérateur de modifier la logique de fonctionnement de la chaîne de sécurité électromécanique. De préférence, ces relais sont directement soudés sur une carte de circuit imprimé et le raccordement sur les cartes des entrées sorties s'effectue par l'intermédiaire de borniers débrochables équipées d'un dispositif de détrompage. Ces cartes de circuit imprimé peuvent être montées dans un boîtier compact éventuellement scellé pour qu'il soit impossible à un opérateur d'exploitation d'accéder à l'ensemble de la chaîne de sécurité électromécanique. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif de sécurité selon l'invention, des convertisseurs de courant associés respectivement à des relais de la chaîne de sécurité électromécanique sont prévus pour convertir un signal électrique d'entrée d'un relais en un signal électronique, les signaux électroniques fournis par les convertisseurs étant traités dans un circuit intégré logique constituant avec les convertisseurs une chaîne de sécurité électronique redondante à la chaîne de sécurité électromécanique. Une telle chaîne de sécurité électronique satisfait les conditions de la norme NF D36504 dans le sens où il est possible d'évaluer la sûreté de fonctionnement du système électronique, au simple énoncé de sa conception, et est plus simple à valider par des tests qu'une chaîne de sécurité informatique. Le circuit intégré logique est de préférence un circuit programmable du type PAL . Selon encore un autre mode de réalisation particulier du dispositif de sécurité selon l'invention, un relais et le convertisseur de courant associé au relais sont montés sur une même carte de circuit imprimé de sorte à obtenir un agencement compact du dispositif de sécurité. Selon encore un autre mode de réalisation particulier du dispositif de sécurité selon l'invention, chaque convertisseur de courant est un optocoupleur de sorte à isoler du point de vue électrique les deux chaînes de sécurité électromécanique et électronique. De la sorte, un défaut électrique dans la chaîne de sécurité électromécanique n'a pas d'incidence sur le fonctionnement de la chaîne de sécurité électronique. Selon encore un autre mode de réalisation particulier du dispositif de sécurité selon l'invention, les signaux électroniques sont convertis en signaux informatiques par l'intermédiaire de microcontrôleurs pour être envoyés à une chaîne de sécurité informatique redondante à la chaîne de sécurité électronique ce qui permet de renforcer le degré de sécurisation du dispositif de sécurité sans augmenter sa complexité de mise en oeuvre puisque cette chaîne de sécurité informatique constituant une troisième chaîne de sécurité, n'est pas assujettie aux procédures de test selon la norme NF D36504 décrites plus haut. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une représentation très schématique de l'invention ; La figure 2 est une représentation très schématique d'un circuit imprimé du dispositif de sécurité selon l'invention ; La figure 3 est une représentation très schématique de l'agencement des circuits imprimés du dispositif selon l'invention. Comme représenté dans la figure 1, le dispositif selon l'invention est relié à au moins un capteur PTn et à au moins un actionneur EVm qui sont généralement montés dans la chaudière industrielle CHA. Le capteur PTn qui est ici un pressostat envoie un courant électrique In à un dispositif de sécurité DS qui est ici monté dans une armoire électrique AE. En cas de réception de ce courant In, le dispositif de sécurité renvoie à son tour un second courant électrique Jm en direction de l'actionneur EVm qui est ici une électrovanne, pour maintenir cet actionneur dans une position de marche normale. Si le courant ln n'est pas reçu, le dispositif de sécurité DS commande un relais d'ouverture (non représenté) du circuit d'alimentation électrique de l'actionneur EV pour annuler le courant Jm, et déclencher ainsi l'arrêt de la chaudière. Les courants électriques In et Jm sont généralement des courants alternatifs élevés sous 230 Volts. Selon l'invention, le dispositif de sécurité DS comprend un boîtier renfermant des cartes de circuit imprimé ci-après appelés circuits imprimés qui forment une chaîne de sécurité électromécanique CH1. Ce boîtier comprend un ou plusieurs circuits imprimés sur lesquels sont montés les relais formant la première chaîne de sécurité CH1, de telle sorte que ces relais ne sont pas interconnectés par une logique câblée, mais par des pistes conductrices des circuits imprimés. Ces différents circuits peuvent ainsi former un ensemble compact enfermé dans un boîtier éventuellement scellé pour interdire à un opérateur d'en modifier la configuration. Ce genre de chaudière comprend généralement une pluralité de capteurs associés à une pluralité d'actionneurs, et le boîtier peut renfermer par exemple plusieurs circuits imprimés CIA, CIB, Oc pour gérer les différents capteurs de la chaudière, comme représenté dans la figure 3. Avantageusement, ces circuits sont brochés dans des connecteurs d'une carte dite carte de fond de panier (non représentée) qui est également équipée de connecteurs assurant la connexion électrique avec les capteurs et avec les actionneurs. Dans la figure 2 a été représenté le circuit imprimé CIB mais les circuits CIA, CIB, Clc sont analogues au circuit CIB. Comme représenté dans cette figure, chaque circuit imprimé CIA, CIB, Clc comprend un relais REn qui est maintenu fermé s'il reçoit un courant In du capteur correspondant PTn pour former la chaîne de sécurité électromécanique classique CH1. Plus particulièrement, les circuits CIA, CIB, Clc ont leurs sorties réunies dans un circuit principal CIP visible dans la figure 3 qui comprend les connexions formant la première chaîne de sécurité CH1. Ce circuit principal est également monté sur la carte de fond de panier. Il réalise par exemple la mise en série des différents relais REn de chaque circuit imprimé CIA, CIB, Clc, et commande un relais d'ouverture du circuit d'alimentation électrique de l'actionneur ou des actionneurs de la chaudière, dès que l'un des relais REn est ouvert. En variante, le dispositif de sécurité pourra inclure une seconde chaîne de sécurité CH2 redondante à la première, cette seconde chaîne étant électronique. Cette chaîne électronique est également capable d'ouvrir le circuit d'alimentation électrique de l'actionneur EVm pour couper son alimentation électrique en cas de non réception d'un courant électrique ln. L'avantage d'une gestion électronique pour cette seconde chaîne est que les tests de validation sont plus simples que dans le cadre d'une gestion informatisée. Cette chaîne électronique CH2 pourra être montée dans un boîtier séparé, et reliée à la carte de fond de panier par des connecteurs spécifiques. Mais elle peut avantageusement être intégrée aux circuits imprimés qui définissent la chaîne électromécanique, comme expliqué ciaprès. Dans cette variante, le courant In fourni par un capteur PTn est converti dans le circuit imprimé sur lequel est monté le relais correspondant REn par un convertisseur correspondant OCn en un signal électronique. Ce signal électronique est un courant continu sous 12 Volts destiné à être reçu par un circuit intégré logique CIL pour former la seconde chaîne de sécurité CH2. Le circuit intégré logique CIL peut être monté sur le circuit imprimé principal CIP du dispositif de sécurité DS, ce circuit principal étant lui-même connecté sur la carte de fond de panier. Ainsi, le circuit imprimé principal CIP reçoit les signaux électroniques produits par chaque circuit imprimé CIA, CIB, Cic pour commander un relais d'ouverture du circuit d'alimentation électrique de l'actionneur EVm sur ordre du circuit intégré logique CIL. Un tel circuit intégré logique sera avantageusement réalisé par exemple avec un circuit de type"PAL". Ces circuits"PAL"fonctionnent sous 12 Volts et permettent de réaliser à moindre coût des opérateurs logiques entre des voies d'entrée et des voies de sortie. Ils sont configurés de façon définitive par claquage électrique. Dans la figure 2, on a représenté un circuit imprimé CIA, CIB, Clc encore appelé carte électronique recevant le courant ! n d'un seul capteur. Mais une même carte peut recevoir les courants In fournis par plusieurs capteurs, de manière à gérer tous les capteurs d'un organe de la chaudière tel que par exemple le brûleur. Dans une telle configuration, la carte comprend un relais et un optocoupleur pour chaque capteur, les relais étant mis en série sur la carte de manière à fournir une unique sortie pour la chaîne de sécurité électromécanique CH1. Les signaux électroniques issus des différents optocoupieurs sont alors réunis à travers un circuit intégré logique local qui est également monté sur la carte CIA, CIB, CIC. Ce circuit fournit ainsi un seul signal électronique de sortie reflétant l'état de l'organe concerné, destiné à la chaîne de sécurité électronique CH2. En variante, le dispositif de sécurité selon l'invention peut également comprendre une troisième chaîne de sécurité CH3 redondante aux autres chaînes de sécurité CH1 et CH2, cette troisième chaîne étant informatique. Dans cette variante, chaque circuit imprimé CI inclut un microcontrôleur qui convertit le signal électronique 12 Volts en un signal informatique cadencé par une horloge que contient le microcontrôleur. Ce signal informatique est émis sous 5 Volts environ. Comme pour les autres chaînes de sécurité, les différents signaux informatiques sont collectés par le circuit imprimé principal CIP. Ce circuit CIP est équipé d'un microcontrôleur réunissant les différents signaux informatiques, et qui communique avec un microprocesseur MP pour former la troisième chaîne de sécurité. Plus particulièrement, le microprocesseur MP communique également avec le microcontrôleur MCP pour déclencher un arrêt de la chaudière sur ordre du programme informatique de gestion de la troisième chaîne. Le microprocesseur ouvre alors le relais d'ouverture du circuit d'alimentation du ou des actionneurs EVm à travers un transistor qui est monté sur le circuit imprimé principal. Un avantage supplémentaire de l'invention est que cette chaîne de sécurité qui est informatique est une troisième chaîne, de sorte qu'elle n'est pas assujettie aux spécifications de tests de la norme NF D36504 évoquées plus haut. Dans le cas d'un circuit imprimé CI réunissant plusieurs capteurs d'un même organe de la chaudière, le microcontrôleur MC de ce circuit imprimé peut être un convertisseur parallèle-série. Un tel convertisseur reçoit en entrée les signaux électroniques sous 12 Volts de chaque capteur et fournit en sortie un signal informatique série cadencé sous 5 Volts reflétant l'état de chacun des capteurs gérés par le circuit CIA, CIB, Clc. De cette manière, le microcontrôleur MCP du circuit imprimé principal est en mesure de communiquer au microprocesseur MP des données informatiques définissant l'état précis de chaque capteur de la chaudière. Comme on le voit, le dispositif de sécurité selon l'invention avec une redondance hétérogène donne lieu à une compacité améliorée et à un degré de sécurisation augmenté puisqu'un opérateur d'exploitation ne peut en modifier la configuration. De plus, la mise en oeuvre d'une troisième chaîne de sécurité informatique permet de relier la chaudière à un système d'information donnant une indication précise de l'état de chaque capteur de la chaudière. REVENDICATIONS 1/Dispositif de sécurité pour chaudière industrielle (CHA) comprenant des relais électromécaniques (REn) connectés pour former une chaîne de sécurité électromécanique (CH1), caractérisé en ce que chaque relais (REn) est monté sur un support sous la forme d'une carte de circuit imprimé (CIA, Os, Oc, CIP). 21 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel des convertisseurs de courant (OCn) associés respectivement à des relais de la chaîne de sécurité électromécanique (CH1) sont prévus pour convertir un signal électrique d'entrée d'un relais en un signal électronique, les signaux électroniques fournis par les convertisseurs étant traités dans un circuit intégré logique (CIL) constituant avec les convertisseurs une chaîne de sécurité électronique (CH2) redondante à la chaîne de sécurité électromécanique (CH1). 31 Dispositif selon la revendication 2, dans lequel un relais (REn) et le convertisseur de courant (OCn) associé au relais sont montés sur une même carte de circuit imprimé (CIA, CIB, Oc). 4/Le dispositif de sécurité selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque convertisseur de courant (OCn) est un opto-coupleur. 5/Le dispositif de sécurité selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit circuit intégré logique (CIL) est un circuit programmable de type "PAL". 6/Le dispositif de sécurité selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel les signaux électriques sont convertis par l'intermédiaire de microcontrôleurs (MC) pour être envoyés à une chaîne de sécurité informatique (CH3) redondante à la chaîne de sécurité électronique.