Brevet FR2864267A1 — publié le 20050624

L'invention concerne les systèmes de collecte d'informations temps réel. en milieu industriel collectant et transférant des données instrumentales et des données à haut débit. Les systèmes de collecte d'informations temps réel sont ordinairement des systèmes informatisés comportant au moins un réseau de collecte et d'acheminement d'informations, c'est-à-dire de données instrumentales, issues d'instruments, ou de capteurs de mesures physiques (pressions, températures, débits, tensions, courants, ...), ou d'états logiques de lo fonctionnement (marche, arrêt, défauts, ...) d'appareils industriels divers concourrant à la mise en oeuvre d'un procédé industriel, et un centre de traitement des données assurant l'exploitation, la surveillance et la sécurité des installations correspondantes. Ils sont très souvent utilisés dans le secteur pétrolier (raffineries, plate-formes offshore), les usines chimiques, les centrales de production d'énergie (nucléaires, thermiques), les industries mécaniques et diverses (civiles, militaires), etc. Les données sont élaborées et distribuées par des capteurs analogiques ou digitaux, transmises, sous forme de signaux de courant ou de tension à bas niveau (inférieur à 100 milliampères ou de 5 à 48 volts) ou optiques, dans le réseau de collecte à des débits relativement peu élevés (inférieurs à cent Kilobits / seconde), les phénomènes physiques étant surveillés à des périodes de scrutation généralement relativement faibles (égales à très supérieures à la milliseconde). Les réseaux de collecte sont constitués de câbles électriques contenant des lignes dites d'instrumentation, choisis en fonction du caractère analogique ou numérique, des niveaux de tension et des débits des données transmises, des distances de transmission, des risques présentés par l'environnement industriel dans lequel ils baignent, notamment électromagnétique, hygrométrique, thermique, et des normes de sécurité imposées par le milieu industriel (normes CEM de compatibilité électromagnétique, voire IEM, de compatibilité à l'impulsion électromagnétique, normes anti-incendie, anti-explosif, anti-foudre, antipoussières, risque acide...). 2864267 2 Dans ces environnements difficiles, les lignes d'instrumentation, de type paires torsadées, tierce ou multibrins, sont spécialement conditionnées, le plus souvent blindées, éventuellement mises sous gaines de protection ou sous tubes inox, et les câbles sont installés dès la construction de l'ensemble industriel dans des chemins de câbles garantis des risques déjà évoqués, et sont raccordés aux terminaux, capteurs et centre de traitement, à travers des protections électriques et électromagnétiques, des boîtes antidéflagrantes (ADF) ou des cloisons spéciales, séparant les zones à risque des zones protégées. io Dans les installations industrielles considérées ici, il est extrêmement difficile et coûteux de tirer de nouveaux câbles, c'est-à-dire l'installation terminée. C'est pourquoi il y est prévu, dès la construction, des câbles supplémentaires, en réserve d'utilisations pouvant se révéler ultérieurement nécessaires. En cas d'apparition d'un nouveau besoin de collecte de données, ces câbles, généralement de même technologie que ceux initialement installés, y sont affectés. Mais, récemment, des nouveaux besoins de collecte de données nécessitent l'emploi des NT (Nouvelles Technologies), notamment du type vidéo ou CD (son, qualité haute fidélité), lesquelles exigent, par exemple en vidéo, des débits minimums d'au moins 150 Kilobits / seconde. Jusqu'à présent, pour transférer ces nouvelles informations sur les sites industriels ci-dessus, on a eu, malgré les coûts induits très importants, recours au tirage de nouveaux câbles ayant les nouvelles caractéristiques requises et procédé aux requalifications nécessaires des installations modifiées. Pour éviter cela, la demanderesse a eu l'idée de rechercher un moyen d'utiliser, malgré tout, les câbles d'instrumentation déjà tirés, permettant ainsi de faire d'importantes économies sur les tirages et raccordements des câbles supplémentaires, puisque rendus inutiles, et des qualifications d'installation qui les accompagnent. L'invention porte sur un procédé pour transmettre des données à haut débit dans un système de collecte de données d'instrumentation à bas débit, comportant un centre de traitement des données, des terminaux 2864267 3 délivrant ou recevant les données à bas débit, et des lignes de transmission entre ledit centre et lesdits terminaux agencées pour des transmissions à bas débit. Il est caractérisé par le fait que l'on transmet lesdites données à haut débit par lesdites lignes à bas débit jusqu'au centre de traitement ou jusqu'aux terminaux. En particulier, on mélange les données à haut débit à des données à bas débit avant transmission. En conciliant, dans ce contexte difficile, anciennes et nouvelles technologies, on évite toutes les dépenses et pertes de temps entraînées io par l'adjonction de nouveaux câbles. L'invention concerne également un système de collecte de données d'instrumentation temps réel en milieu industriel, comportant au moins un centre de traitement des données, des capteurs délivrant lesdites données d'instrumentation à bas débit, des capteurs délivrant lesdites données à haut débit, et des câbles pour relier les capteurs au centre, les câbles comportant des lignes d'instrumentation, de bas débit, système caractérisé par le fait qu'il est agencé pour transmettre les signaux de données à haut débit sur les lignes d'instrumentation. Conformément à un premier mode de réalisation, pour transmettre signaux de données à haut débit sur une ligne d'instrumentation, celle-ci comporte une interface de ligne en chacune de ses extrémités.. Conformément à un second mode de réalisation, pour transmettre ces signaux de données à haut débit sur une ligne d'instrumentation, les capteurs de données à haut débit comportent leur propre interface de ligne. Avantageusement, les interfaces de ligne comportent un module du type XDSL, soit ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line) ou SDSL (Synchronous Digital Subscriber Line), soit HSDSL (High Speed Digital Subscriber Line) ou VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line), permettant de mélanger les signaux de données à haut débit et les signaux de données d'instrumentation sur une même ligne d'instrumentation. 2864267 4 Avantageusement encore, les interfaces de lignes comportent chacune un multiplexeur, côté capteurs, ou un dé-multiplexeur, côté centre de traitement. On utilise ainsi deux moyens complémentaires pour transmettre simultanément, sur la ligne, des données à haut débit et des données d'instrumentation. Avantageusement toujours, les interfaces de ligne comportent des io protections de sécurité, selon les risques courus, par exemple antifoudre. L'invention porte enfin sur un système de contrôle commande temps réel de processus industriel, mettant en oeuvre le procédé précédent, soit pour collecter et contrôler des données à haut débit transmises par des capteurs, soit pour émettre et commander des actionneurs intervenant dans le processus industriel. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante des deux versions de réalisation du système de collecte d'informations temps réel selon l'invention et du dessin l'accompagnant, sur lequel la figure unique représente un schéma par blocs fonctionnels de la structure du système de collecte utilisant les deux versions possibles de l'agencement des interfaces de ligne sur les lignes d'instrumentation. En référence à la figure unique, le système 1 de collecte de données d'instrumentation temps réel comporte un centre de traitement 10, composé : d'un calculateur 11 de contrôle-commande d'un processus industriel dans un des domaines déjà cités, réalisant les fonctions ordinaires de 30 contrôle-commande de ce processus, d'un calculateur 80 de traitement d'images vidéo, par exemple à 5 images par secondes, codifiées conformément à la norme MPEG-1 ou 2 ou ultérieure, et capable de compléter les informations collectées par le calculateur 11, par exemple détecter des événements anormaux par reconnaissance de mouvements d'images, traitement maintenant couramment utilisé en vidéo-surveillance, d'une interface de ligne centrale 70, qui sera décrite plus loin. 2864267 5 Le système comporte aussi des capteurs 20 délivrant des données d'instrumentation sous forme de signaux électriques répondant à divers standards (c), (d), (e), analogiques ou numériques, délivrées à des débits inférieurs à 100 Kbits / seconde, dits bas débit BD, des capteurs 40 délivrant des données numériques, sous forme de signaux électriques, à haut débit HD, c'est-à-dire des débits supérieurs à 150 Kilobits / seconde, voire à 1 Megabits / seconde, en respectant des protocoles (a), (b), ... , correspondant notamment à des transmissions son de type MP3 (MPEG layer 3), WMA (Window Metafile Audio), Dolby Digital ou Io DTS (Data Transformation Service), ou d'images vidéo compressées (MPEG). Dans une première version de réalisation, les capteurs 20 et 40 sont reliés à une interface de ligne locale 50, commune, qui sera décrite plus loin. Dans une seconde version de réalisation, on utilise un capteur 60, ou plus, comportant sa propre interface de ligne locale 65, similaire à l'interface 50, et également décrite plus loin. Quelle que soit la version choisie, les interfaces de ligne centrale 70, d'une part, et locales 50 ou 65, d'autre part, sont reliées entre elles par des câbles, un seul câble 30 dans l'exemple de la figure, comportant des lignes d'instrumentation 31, 32, 33, ... , prévues pour transmettre des signaux de bas débit BD. Naturellement, dans un système tel que le système 1, on peut mixer les deux versions de réalisation, ce qui a été montré sur la figure unique. Les interfaces de ligne locales vont maintenant être décrites. Dans l'exemple de la figure, un capteur d'instrumentation 20 (d), délivrant des signaux au standard (d), est relié à un premier module interface 21 du type capteur , prévu pour le standard (d) comme pour la plupart des standards des capteurs d'instrumentation: contacts secs, analogiques en courant 4-20 mA ou 0-22 mA ou en tension avec ou sans protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer). Ce premier module interface capteur 21 convertit les signaux qu'il reçoit en signaux à bas débit BD transmissibles à distance par la ligne 32. Mais 2864267 6 par multiplexage, on peut combiner des signaux bas débit BD en un signal haut débit HD. Un module interface 54, d'un autre type appelé ici type ligne , adapte les signaux à transmettre à la ligne d'instrumentation 32. Il peut être nécessaire ou non, suivant le type de la ligne d'instrumentation 32: ligne série RS232c, RS422, RS485, Bus parallèles, Bus SPI (Sérial Peripheral Interface, ou interface série pour périphérique), USB (Universal Serial Bus, ou bus série universel), etc. Dans l'exemple de la figure, on a io supposé ce module interface ligne 54 nécessaire. Il est relié en sortie à un module 22 de protection, ADF ou CEM, isolant, par exemple, l'interface 50 de la ligne 32 par isolement galvanique. A son autre extrémité, au centre de traitement 10, la ligne 32 peut être raccordée directement à une entrée 13, numérique ou analogique, du calculateur 11 de contrôle-commande, par l'intermédiaire d'un module 12 de protection galvanique symétrique du module 22 vu précédemment. Ici, on dispose également des capteurs 40 (a) et 40 (b) de données à haut débit, données portées par des signaux de caractéristiques de transport, physiques ou protocolaires (a) et (b), modulés à des fréquences élevées différentes fa et fb. Après adaptation physique (non représentée), on mélange ces fréquences dans un multiplexeur 52, le signal résultant étant appliqué à une entrée d'un module 51 XDSL, soit ADSL ou SDSL, soit HSDSL ou VDSL, dont l'autre entrée est alimentée par un microprocesseur 23 de traitement numérique de signaux issus d'un capteur 20 (c) de données à bas débit via un second module interface capteur 21. Selon le module XDSL 51 utilisé, le microprocesseur 23 est ou n'est pas nécessaire. Ainsi un circuit ADSL ne requiert pas de traitement numérique particulier. Par contre, un circuit SDSL nécessite une mémorisation temporaire et une synchronisation des signaux bas et à haut débit, traitement numérique qui est assuré par le microprocesseur 23, notamment par sa mémoire et son horloge interne. Comme module XDSL 51, on peut choisir parmi les circuits de la famille des Socrate PEB22622 d'INFINEON ou MTK2 9905 d'ALCATEL. L'homme du métier connaît parfaitement la mise en oeuvre de ces circuits. La sortie du module XDSL 51 alimente un second module interface ligne 54, déjà vu précédemment, pour assurer la même 2864267 7 fonction, puis un module de protection 22, également déjà vu, et enfin la ligne d'instrumentation 31. Il faut rappeler que cette mise en oeuvre des capteurs 40 (a) et 40 (b), 5 décrite ci-dessus, correspond à la première des deux versions annoncées. Dans la seconde des versions, c'est le capteur à haut débit 60 qui contient l'interface de ligne 65, équivalent de l'interface de ligne 50 vu ci-dessus. io Mais l'interface de ligne 65 ne comporte pas de module interface capteur 21 ni de microprocesseur 23. Ces derniers restent, pour le capteur à bas débit 20 (e), situés dans l'interface de ligne 50. Le microprocesseur 23 de cette interface 50, relié au capteur 20 (e), ou ls éventuellement son module interface capteur 21, transmet les données à bas débit au module XDSL 51 de l'interface 65, module qui reçoit les signaux de données à haut débit d'une interface USB 62 ou équivalent d'une caméra 61 partie essentielle et intégrante du capteur 60. La sortie du module 51 de l'interface 65 alimente, comme ci-dessus, un module interface ligne 54 et un module de protection 22, inclus ou non dans l'interface 65, puis la ligne d'instrumentation 33. Dans les deux versions, on remarquera que le module XDSL 51 de l'interface de ligne 50 ou 65 permet de multiplexer les signaux de données HD à haut débit et les signaux de données d'instrumentation BD sur des lignes d'instrumentation 31, 32, 33, non prévues pour cela. Il peut aussi multiplexer des données BD pour les transformer en données à haut débit BD et multiplexer ces nouvelles données HD à des données BD non multiplexées. Ces lignes 31, 32, 33, sont raccordées au centre de traitement 10 de la même manière, quelle que soit la version choisie, chacune à un module de protection 12 identique aux modules de protection 22 déjà vus. En sortie de ces modules 12, les signaux de données sont soit acheminés directement sur le calculateur de contrôle-commande 11 par une liaison 13, ce dernier pouvant traiter directement les signaux de données d'instrumentation de la ligne 32, sur laquelle aucun signal de données à haut débit n'a été introduit, soit traités par un module XDSL 71, 2864267 8 identique aux modules 51 déjà vus, séparant les signaux BD de données à bas débit des signaux HD des données à haut débit, les premiers étant acheminés sur le calculateur de contrôle-commande 11 soit directement, comme précédemment, soit par l'intermédiaire de convertisseurs, d'adaptateurs ou de démodulateurs non représentés, et les seconds étant acheminés sur le calculateur 80 de traitement d'images vidéo, soit directement comme dans le cas des signaux issus de la ligne 33, soit par l'intermédiaire d'un dé-multiplexeur 72, si plusieurs signaux à haut débit sont présents sur la ligne d'instrumentation correspondante, comme dans io le cas des signaux issus de la ligne 31, le dé-multiplexeur 72 séparant les différents signaux. Il faut remarquer que ce processus de collecte des données haut et bas débit peut, en fin de compte: Ne plus comporter que des données de haut débit, bien que ne transitant que sur des lignes à bas débit. Ceci est particulièrement le cas du système de collecte le plus réduit envisageable pour la mise en oeuvre de la présente invention, dans laquelle une caméra 60 comporte une interface 65 transmettant des données à haut débit à un simple moniteur 90 via une ligne 33 bas débit, le module 51 ne recevant que des données de la caméra. Etre mis en oeuvre dans les deux sens, à savoir le sens collecte des données depuis les capteurs vers le centre de traitement pour contrôle du processus industriel et le sens émission de données depuis le centre de traitement vers les capteurs ou des actionneurs, plus généralement des terminaux permettant de contrôler et de commander le processus industriel. Il s'agit alors d'un système de contrôle-commande temps réel de processus industriel. Dans ce dernier cas, le système (1) est un système de contrôle commande temps réel de processus industriel agencé soit pour collecter et contrôler des données à haut débit transmises par des capteurs comme il a été décrit ci-dessus, soit pour émettre et commander des actionneurs intervenant dans le processus industriel, l'agencement des commandes HD et BD correspondant module par module à celui HD et BD des collectes de données, le centre de traitement jouant le rôle de capteur de commandes et les actionneurs jouant le rôle de centres de traitement répartis. 9 REVENDICATIONS 1-. Procédé pour transmettre des données à haut débit dans un système de collecte de données d'instrumentation à bas débit, comportant au moins un centre de traitement des données (10, 90), des terminaux (20, 40, 60) délivrant ou recevant les données à bas débit, et des lignes d'instrumentation (31, 32, 33) entre ledit centre et lesdits terminaux agencées pour des transmissions à bas débit, caractérisé par le fait que l'on transmet lesdites données à haut débit par lesdites lignes à bas débit to (31, 32, 33) jusqu'au centre de traitement ou jusqu'aux terminaux. 2-. Procédé selon la revendication précédente selon lequel on mélange les données à bas débit à des données à bas débit et on transmet l'ensemble. 3-. Procédé selon la revendication 1 ou 2 selon lequel le centre de traitement des données est un moniteur (90). 4- Système (1) de collecte de données à haut débit en milieu industriel, comportant au moins un centre de traitement (10, 90) des données, des capteurs (20) délivrant des données d'instrumentation à bas débit BD, des capteurs (40) délivrant des données à haut débit HD, et des lignes (31, 32, 33) d'instrumentation de bas débit BD, système caractérisé par le fait qu'il est agencé (50, 65, 70) pour transmettre les données à haut débit HD sur les lignes d'instrumentation BD. 5-. Système selon la revendication 4, dans lequel, pour transmettre des signaux de données à haut débit HD sur une ligne d'instrumentation (31, 32, 33), celle-ci comporte une interface (50, 65, 70) de ligne en chacune de ses extrémités. 6-. Système selon la revendication 5, dans lequel l'interface de ligne (50, 70) comporte un multiplexeur (52) de données du côté capteurs (20, 40) ou un dé-multiplexeur (72) de données du côté centre de traitement (10). 7-. Système selon la revendication 6, dans lequel le multiplexeur (52) de données du côté capteurs (20, 40) transmet des données à haut débit HD. 2864267 10 8-. Système selon la revendication 4, dans lequel, pour transmettre des signaux de données à haut débit HD sur une ligne d'instrumentation (33), au moins un capteur (60) de données à haut débit comporte une interface de ligne (65). 9-. Système selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel l'interface de ligne (50, 65, 70) comporte un module (51, 71) XDSL, permettant de multiplexer ou de dé-multiplexer les signaux de données à haut débit et les signaux de données d'instrumentation. 10-. Système selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel l'interface de ligne (50, 65) comporte au moins un module interface (21, 54). 11-. Système selon l'une des revendications 5 à 10, dans lequel 15 l'interface de ligne (50, 65, 70) comporte au moins un module (12, 22) de protection de sécurité. 12-. Système selon la revendication 11, dans lequel le module de protection (12, 22) comporte un isolement galvanique. 13-. Système selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel le module XDSL (51, 71) comporte un circuit appartenant à la famille des circuits Socrate PEB22622 d'INFINEON ou MTK2 9905 d'ALCATEL. 14-. Système selon l'une des revendications 4 à 13, dans lequel au moins un capteur (60) de données à haut débit comporte une caméra (61) vidéo. 15-. Système selon la revendication 14, dans lequel la caméra vidéo (61) 30 comporte un module (51) XDSL. 16-. Système selon la revendication 15, dans lequel l'interface (62) de la caméra (61) est reliée à l'entrée du module XDSL (51) dont la sortie est reliée (54, 22) à une ligne d'instrumentation (33). 17-. Système selon la revendication 15, dans lequel la sortie du module XDSL (51) du capteur (60) de données à haut débit est reliée à un module interface ligne (52) elle-même reliée à une ligne 2864267 11 d'instrumentation (33) par l'intermédiaire d'un module de protection (22). 18-. Système selon l'une des revendications 4 à 17, dans lequel le centre 5 de traitement (10) comporte un calculateur (80) de traitement d'images vidéo. 19-. Capteur (60) de données à haut débit comportant une interface de ligne (65) pour transmettre des signaux de données à haut débit, selon le io procédé de l'une des revendications 1 à 3, sur au moins une ligne d'instrumentation à bas débit (33). 20-. Système (1) de contrôle commande temps réel de processus industriel, mettant en oeuvre le procédé de l'une des revendications 1 à 3, soit pour collecter et contrôler des données à haut débit transmises par des capteurs, soit pour émettre et commander des actionneurs intervenant dans le processus industriel.