Brevet FR3012708A1 — publié le 20150501

36FDEP.docx 1 La présente invention concerne les dispositifs de commande à distance par liaison filaire, généralement utilisés pour transmettre des données et ordres de commande permettant de piloter à distance des organes actifs. L'invention vise notamment l'application de tels dispositifs de commande à distance pour piloter à distance les vannes de tête d'un aménagement hydroélectrique, lesdites vannes de tête étant positionnées en amont pour commander le débit d'eau dans des conduites forcées conduisant l'eau jusqu'en aval où se trouve l'usine de production d'électricité et les moyens de commande de vannes. Les moyens de commande de vannes pilotent à distance les vannes de tête notamment en cas de détection de défauts importants. Ces défauts peuvent être une survitesse de turbine dans l'usine de production d'électricité, une baisse de pression dans les conduites forcées, un ordre d'arrêt prolongé de la turbine, un ordre d'arrêt d'urgence de l'usine, une inondation de l'usine. II est indispensable de faire en sorte que les vannes de tête reçoivent en toutes circonstances la commande de fermeture si les moyens de commande de vannes donnent l'ordre de fermer les vannes. Les vannes de tête se trouvant généralement à une distance de plusieurs kilomètres à l'écart de l'usine, cela nécessite une liaison particulièrement fiable. Jusqu'à présent, pour assurer cette fiabilité, la transmission des signaux de commande a été assurée par des câbles en cuivre. Une telle liaison présente toutefois certains inconvénients, tels que le vieillissement progressif de l'équipement, la sensibilité aux perturbations électromagnétiques environnantes pouvant se produire lors des orages. Il y a donc un besoin de concevoir des moyens de transmission qui présentent à la fois une fiabilité de fonctionnement aussi élevée que celle des liaisons filaires en cuivre, et une bonne insensibilité aux perturbations électromagnétiques environnantes. On a déjà envisagé de transférer les informations de commande à distance par le canal des systèmes de transfert d'informations par fibres optiques. Ces systèmes de transfert d'informations sont adaptés pour le transfert simultané de plusieurs protocoles de communication sur une même liaison, grâce à des couches logicielles permettant de numériser les signaux à transmettre, et grâce à des couches logicielles permettant de juxtaposer les signaux numériques pour une transmission simultanée d'un grand nombre de signaux. Toutefois, la multiplication des circuits électroniques permettant de numériser et de juxtaposer les signaux conduit à dégrader la fiabilité de ces 36FDEP.docx 2 systèmes, de sorte que cette solution ne peut pas être retenue pour la transmission de signaux de commande à distance dans les cas où une grande fiabilité de transmission est requise. Tel est le cas notamment pour la commande à distance de vannes de tête dans les aménagements hydroélectriques. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir un nouveau dispositif de commande à distance qui présente une fiabilité de fonctionnement au moins égale à celle des dispositifs de transmission à liaison filaire en cuivre, et qui présente une bonne insensibilité aux perturbations électromagnétiques environnantes. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose un dispositif de commande à distance, dans lequel les signaux de commande sont transmis sous forme de rayonnement lumineux, à travers au moins une fibre optique, depuis un émetteur de signaux lumineux jusqu'à un récepteur distant de signaux lumineux ; selon l'invention : - les signaux lumineux de commande sont sous forme binaire, avec un état de marche et un état d'arrêt, - l'émetteur est apte à émettre lesdits signaux lumineux de commande sous forme binaire, - le récepteur est apte à recevoir lesdits signaux lumineux de commande sous forme binaire et à les transformer en signaux électriques de commande binaires de marche ou d'arrêt. L'utilisation de signaux transmis sous forme de rayonnement lumineux à travers une fibre optique permet de s'affranchir de tout risque de disfonctionnement résultant des perturbations électromagnétiques environnantes. Simultanément, l'utilisation de signaux de commande sous forme binaire permet d'optimiser la capacité de reconnaissance de l'état des signaux par le récepteur distant, indépendamment de la baisse d'efficacité de la transmission, pouvant résulter de certaines dégradations limitées des connecteurs de raccordement de la fibre optique ou de la fibre optique elle-même. De préférence, on prévoit que : - dans son état de marche, un signal lumineux de commande est continu et d'amplitude significative et constante, - dans son état d'arrêt, un signal lumineux de commande est d'amplitude insignifiante. 36FDEP.do cx 3 Ainsi, on améliore encore les capacités de reconnaissance de l'état des signaux de commande par le récepteur distant, grâce à une grande amplitude de variation du signal entre son état de marche et son état d'arrêt. En pratique, on peut avantageusement prévoir que l'émetteur est un circuit optoélectronique ayant : - un générateur de signal électrique bistable, produisant sur sa sortie électrique des signaux électriques de sortie sous forme binaire, avec un état de marche à un premier potentiel continu, et avec un état d'arrêt à un second potentiel continu, - un générateur de lumière, ayant une sortie optique connectée fonctionnellement à ladite fibre optique, et apte à produire sur sa sortie optique lesdits signaux lumineux de commande en fonction des signaux électriques présents sur son entrée électrique connectée à la sortie électrique du générateur de signal électrique, - le signal lumineux de commande étant dans son état de marche lorsque le signal électrique de sortie est dans son état de marche, le signal lumineux de commande étant dans son état d'arrêt lorsque le signal électrique de sortie est dans son état d'arrêt. De même, on peut avantageusement prévoir que le récepteur comprend : - un circuit optoélectronique de réception, recevant sur son entrée optique les signaux lumineux de commande provenant de la fibre optique, et générant sur sa sortie électrique des signaux électriques de commande binaires fonction des signaux lumineux de commande, et étant dans un état de marche lorsque le signal lumineux de commande est dans son état de marche, et étant dans un état d'arrêt lorsque le signal lumineux de commande est dans son état d'arrêt, - un circuit électrique de mise en forme bistable, recevant sur son entrée les signaux électriques de commande binaires, et apte à produire sur sa sortie des signaux électriques de sortie image des signaux électriques de commande binaires. Pour les applications de commande à des distances supérieures à 1 km, on pourra avantageusement utiliser au moins une fibre optique monomode, c'est-à-dire présentant un diamètre de coeur de 10 à 125 pm environ. Le coeur est alors si fin que le chemin de propagation des rayons lumineux est pratiquement direct, d'où l'appellation monomode. Les pertes de transmission sont alors minimes, avec moins de réflexions sur l'interface coeur - gaine de la fibre. Une telle fibre monomode présente une atténuation relativement faible de la puissance lumineuse transmise dans le cas d'une 36FDEP.docx 4 transmission de signaux lumineux à fréquence dans l'infrarouge. On pourra donc trouver avantage à combiner cette fibre optique monomode avec un émetteur et un récepteur travaillant dans l'infrarouge, c'est-à-dire des longueurs d'ondes de lumière comprises entre 1 100 et 1 560 nm. De la sorte, les signaux lumineux de commande sont sous forme de rayonnement lumineux infrarouge. L'invention propose également d'appliquer un tel dispositif à la commande de sécurité à distance des vannes de tête d'un aménagement hydroélectrique. On peut alors utiliser, comme support de transmission, une ou plusieurs des fibres optiques monomodes du faisceau de fibres optiques habituellement utilisé pour la transmission de données numériques entre l'usine de production d'électricité et les différents capteurs et autres dispositifs de surveillance placés le long des conduites forcées et au niveau des systèmes amont de captage d'eau. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe illustrant le dispositif de commande à distance selon la présente invention ; - la figure 2 illustre la forme du signal de commande à transmettre par le dispositif selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma électrique illustrant un mode de réalisation avantageux du récepteur de signaux de commande du dispositif selon l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement les organes essentiels d'un aménagement hydroélectrique ; et - la figure 5 illustre schématiquement l'application du dispositif de commande selon l'invention à la commande des vannes de tête d'un aménagement hydroélectrique. Comme illustré schématiquement sur la figure 1, un dispositif de commande à distance à fibre optique selon l'invention comprend un émetteur 1, un récepteur 2, et au moins une fibre optique 3 connectée à l'émetteur 1 et au récepteur 2. L'émetteur 1 est apte à émettre des signaux lumineux de commande 4 sous forme binaire, c'est-à-dire ayant deux états distincts, à savoir un état de marche 4a (figure 2) et un état d'arrêt 4b, sous forme de rayonnement lumineux. Le récepteur 2 est apte à recevoir lesdits signaux lumineux de 35 commande 4 sous forme binaire, et à les transformer en signaux de commande de sortie binaires dé marche ou d'arrêt sur une sortie 2a. 36FDEP.docx Comme illustré sur la figure 2, dans son état de marche 4a, le signal lumineux de commande 4 est continu et d'amplitude significative et constante. Dans son état d'arrêt 4b, le signal lumineux de commande 4 est d'amplitude insignifiante. 5 Le basculement de l'état de marche 4a vers l'état d'arrêt 4b est commandé par la commutation d'un générateur de signal électrique bistable la, par exemple un commutateur d'entrée de l'émetteur 1. Par exemple, le commutateur d'entrée provoque la mise sous tension d'un générateur de lumière tel qu'une diode laser 1 b raccordée à l'entrée de la fibre optique 3. L'alimentation de la diode laser lb provoque l'émission d'un rayonnement lumineux, avantageusement un rayonnement lumineux infrarouge, parcourant la fibre optique 3, et constituant un signal lumineux de commande 4 à l'état de marche 4a. L'interruption de l'alimentation de la diode laser 1 b provoque l'interruption de l'émission de rayonnement lumineux par la diode laser lb, et ainsi le basculement du signal lumineux de commande 4 vers son état d'arrêt 4b. Ainsi, l'émetteur 1 est un circuit optoélectronique ayant un générateur de signal électrique bistable la produisant sur sa sortie électrique un signal électrique sous forme binaire, avantageusement tout ou rien, avec un état de marche à un premier potentiel continu, par exemple au potentiel de la borne positive de l'alimentation lc, et avec un état d'arrêt à un second potentiel continu, par exemple au potentiel nul ou potentiel de la borne négative de l'alimentation lc. L'émetteur 1 comprend en outre un générateur de lumière 1 b tel que la diode laser, apte à produire sur sa sortie optique, connectée fonctionnellement à la fibre optique 3, des signaux lumineux de commande 4 fonction des signaux électriques présents sur son entrée électrique ld connectée à la sortie électrique du générateur de signal électrique la. Ainsi, le signal lumineux de commande 4 est dans son état de marche 4a lorsque le signal électrique de sortie envoyé par le générateur de signal électrique bistable la à l'entrée électrique ld du générateur de lumière lb est lui aussi dans son état de marche, le signal lumineux de commande 4 étant dans son état d'arrêt 4b lorsque ledit signal électrique de sortie envoyé sur l'entrée électrique ld du générateur de lumière lb est lui-même dans son état d'arrêt. Le récepteur 2 comprend, de façon générale, un circuit optoélectronique de réception 2b, recevant sur son entrée optique 2c des signaux lumineux de commande 4 provenant de la fibre optique 3, et générant sur sa sortie électrique des signaux électriques de commande binaires fonction des 36FDEP.docx 6 signaux lumineux de commande 4 et étant dans un état de marche lorsque le signal lumineux de commande 4 est dans son état de marche 4a et étant dans un état d'arrêt lorsque le signal lumineux de commande 4 est dans son état d'arrêt 4b. Comme on le voit mieux sur la figure 3, le circuit optoélectronique de réception 2b peut avantageusement comprendre une photodiode placée directement en sortie de la fibre optique 3, et polarisée en inverse pour générer un courant électrique fonction des signaux lumineux de commande 4 et constituant les signaux électriques de commande binaires. Le récepteur 2 comprend en outre un circuit électrique de mise en forme 2d bistable, recevant sur son entrée les signaux électriques de commande binaires et apte à produire sur sa sortie 2a des signaux électriques de sortie image des signaux électriques de commande binaires. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le circuit électronique de mise en forme 2d comprend un amplificateur opérationnel 5 monté en convertisseur courant / tension : son entrée inverseuse est connectée à la cathode de la photodiode 2b, son entrée non inverseuse est connectée à la borne négative de la source d'alimentation 6, et une résistance RI est connectée entre sa sortie et son entrée inverseuse. De la sorte, la tension à la sortie de l'amplificateur opérationnel 5 est proportionnelle au courant électrique traversant la photodiode du circuit optoélectronique de réception 2b, lequel courant est lui-même proportionnel à l'intensité du signal lumineux de commande 4 reçu de la fibre optique 3. La sortie de l'amplificateur opérationnel 5 est connectée à la borne négative de la source d'alimentation 6 par un pont diviseur formé des résistances R2 et R3 dont le point milieu est connecté à la base d'un transistor 7 dont l'émetteur est connecté à la borne négative de la source d'alimentation 6 et dont le collecteur est connecté à la borne positive de la source d'alimentation 6 par l'intermédiaire de la bobine 8a d'un relais 8 dont les contacts forment la sortie 2a du récepteur 2. Une diode 9 est connectée en dérivation de la bobine 8a du relais 8, sa cathode étant connectée à la borne positive de la source d'alimentation 6, pour protéger le transistor 7 contre les surtensions lors du passage de signal lumineux de commande 4 vers son état d'arrêt 4b. Le relais 8 est de type monostable, formant sur sa sortie 2a un contact fermé tant que le signal lumineux de commande 4 est dans son état de marche 4a, et formant sur sa sortie 2a un contact ouvert lorsque le signal lumineux de commande 4 est dans son état d'arrêt 4b. 36FDEP.docx 7 Les valeurs des résistances R2 et R3 sont choisies de façon que le transistor 7 soit à l'état saturé lorsque le signal lumineux de commande 4 est dans son état de marche 4a, et de façon que le transistor 7 soit dans son état bloqué lorsque le signal lumineux de commande 4 est dans son état d'arrêt 4b. La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un aménagement hydroélectrique destiné à être piloté par le dispositif de commande selon l'invention, par exemple le dispositif de commande tel que décrit précédemment en relation avec les figures 1 à 3. L'aménagement hydroélectrique est destiné à utiliser, dans une usine de production d'électricité 10 située en aval, l'énergie potentielle de l'eau contenue dans une retenue amont 11. Pour cela, l'eau contenue dans la retenue amont 11 est amenée, par une galerie d'amenée 12 à cheminée d'équilibre 13, puis par une conduite forcée 14 descendante, jusqu'à l'usine 10 dans laquelle se trouvent une ou plusieurs turbines 15 entraînant mécaniquement un ou plusieurs alternateurs fournissant l'énergie électrique. L'eau est ensuite évacuée vers une retenue aval 16. Une vanne de tête 17 est prévue à l'entrée amont de la conduite forcée 14, pour interrompre si nécessaire le passage d'eau en cas de détection d'un défaut tel qu'une baisse de pression dans la conduite forcée 14, une inondation de l'usine 10, un besoin d'interrompre la rotation des turbines 15 et/ou des alternateurs. Dans cet exemple, une ligne de communication 18, à faisceau de fibres optiques et système de numérisation des signaux, est établie entre l'usine 10 et les organes distants tels que la vanne de tête 17 se situant en amont de la conduite forcée 14. La longueur de la ligne de communication 18 peut être de plusieurs kilomètres, par exemple une dizaine de kilomètres. En se référant à la figure 5, on distingue la constitution de la ligne de communication 18. La communication s'effectue dans les deux sens de propagation, c'est-à-dire depuis l'usine 10 vers la vanne de tête et les systèmes associés 17, ou depuis la vanne de tête et les systèmes associés 17 vers l'usine 10. Cette ligne de communication 18 permet de faire transiter plusieurs protocoles de communication par un faisceau de fibres optiques 18k dont les extrémités sont munies d'émetteurs - récepteurs, à savoir l'émetteur - récepteur amont 18a et l'émetteur - récepteur aval 18b. L'émetteur - récepteur amont 18a comprend un automate 18c ayant un circuit électronique de commande 18d, un logiciel enregistré 18e, un circuit de mise en forme de signal 18f. La sortie de l'automate 18c est raccordée à un 36FDEP.docx 8 commutateur optique 18g ayant lui-même un circuit d'entrée électrique 18h, un logiciel de commutation 18i, et un générateur de lumière 18j lui-même connecté aux fibres optiques 18k. En aval, les fibres optiques 18k sont connectées à l'émetteur - récepteur aval 18b qui présente une structure similaire à celle de l'émetteur - récepteur amont 18a, avec un automate 18m et un commutateur optique 18n. Ainsi, la ligne de communication 18 comprend un grand nombre de couches logicielles et de circuits permettant de transmettre un grand nombre 10 d'informations simultanées entre l'amont et l'aval de l'aménagement hydroélectrique. Dans l'application de la présente invention à la commande de la vanne de tête 17 de cet aménagement hydroélectrique, on utilise l'une au moins des fibres optiques du faisceau de fibres optiques 18k, que l'on isole en entrée et en 15 sortie pour former la fibre optique 3 dédiée, que l'on connecte à l'émetteur 1 situé dans l'usine 10 en aval, et que l'on connecte au récepteur 2 situé à proximité de la vanne de tête 17. De la sorte, la fibre optique 3 dédiée fonctionne indépendamment des émetteurs - récepteurs 18a et 18b de la ligne de communication 18. La commande de la vanne de tête 17 est ainsi fiabilisée, car 20 rendue indépendante des couches logicielles et des protocoles de communication de la ligne de communication 18. Elle est en outre rendue indépendante des perturbations électromagnétiques éventuelles pouvant se produire dans l'environnement de l'aménagement hydroélectrique. En alternative, l'invention peut aussi être utilisée avec une ou des 25 fibres optiques dédiées 3 reliant l'émetteur 1 et le récepteur 2, en l'absence d'une ligne de communication 18. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS1 - Dispositif de commande à distance, dans lequel les signaux de commande (4) sont transmis sous forme de rayonnement lumineux, à travers au moins une fibre optique (3), depuis un émetteur (1) de signaux lumineux jusqu'à un récepteur (2) de signaux lumineux, caractérisé en ce que : - les signaux lumineux de commande (4) sont sous forme binaire, avec un état de marche (4a) et un état d'arrêt (4b), - l'émetteur (1) est apte à émettre lesdits signaux lumineux de commande (4) sous forme binaire, - le récepteur (2) est apte à recevoir lesdits signaux lumineux de commande (4) sous forme binaire et à les transformer en signaux électriques de commande binaires de marche ou d'arrêt. 2 - Dispositif de commande à distance selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - dans son état de marche (4a), un signal lumineux de commande (4) est continu et d'amplitude significative et constante, - dans son état d'arrêt (4b), un signal lumineux de commande (4) est d'amplitude insignifiante. 3 - Dispositif de commande à distance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur (1) est un circuit optoélectronique ayant : - un générateur de signal électrique bistable (la), produisant sur sa sortie électrique des signaux électriques de sortie sous forme binaire, avec un état de marche à un premier potentiel continu, et avec un état d'arrêt à un second potentiel 25 continu, - un générateur de lumière (1 b), ayant une sortie optique connectée fonctionnellement à ladite fibre optique (3), et apte à produire sur sa sortie optique lesdits signaux lumineux de commande (4) en fonction des signaux électriques présents sur son entrée électrique (1d) connectée à la sortie électrique du 30 générateur de signal électrique (1a), - le signal lumineux de commande (4) étant dans son état de marche (4a) lorsque le signal électrique de sortie est dans son état de marche, le signal lumineux de commande (4) étant dans son état d'arrêt (4b) lorsque le signal électrique de sortie est dans son état d'arrêt. 35 4 - Dispositif de commande à distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le récepteur (2) comprend :36FDEP.docx 10 - un circuit optoélectronique de réception (2b), recevant sur son entrée optique (2c) les signaux lumineux de commande (4) provenant de la fibre optique (3), et générant sur sa sortie électrique des signaux électriques de commande binaires fonction des signaux lumineux de commande (4), et étant dans un état de marche lorsque le signal lumineux de commande (4) est dans son état de marche (4a), et étant dans un état d'arrêt lorsque le signal lumineux de commande (4) est dans son état d'arrêt (4b), - un circuit électrique de mise en forme (2d) bistable, recevant sur son entrée les signaux électriques de commande binaires, et apte à produire sur sa sortie (2a) 10 des signaux électriques de sortie image des signaux électriques de commande binaires. 5 - Dispositif de commande à distance selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit optoélectronique de réception (2b) comprend une photodiode placée directement en sortie de la fibre optique (3), polarisée en inverse pour 15 générer un courant électrique fonction des signaux lumineux de commande (4), et associée à un circuit électronique de mise en forme (5, R1) transformant ledit courant électrique en tension de commande. 6 - Dispositif de commande à distance selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'émetteur (1) est une diode laser (2b) raccordée à l'entrée 20 de la fibre optique (3). 7 - Dispositif de commande à distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite au moins une fibre optique (3) est une fibre optique monomode, et en ce que les signaux lumineux de commande (4) sont sous forme de rayonnement lumineux infrarouge. 25 8 -Application d'un dispositif de commande à distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la commande de vannes de tête (17) d'un aménagement hydroélectrique. 9 - Application selon la revendication 8, dans laquelle ladite au moins une fibre optique (3) du dispositif de commande à distance est l'une des fibres 30 optiques d'un faisceau de fibres optiques (18k) d'une ligne de communication (18), ladite fibre optique (3) étant connectée à l'émetteur (1) et au récepteur (2) du dispositif de commande à distance indépendamment des autres organes (18a, 18b) de la ligne de communication (18).