Capteurs intelligents

Introduction

Développement industriel nécessite une instrumentation coûteuse

–Maîtrise des procédés de fabrication.

– Maîtrise de la qualité des produits finis

mise en place de capteurs sur l'ensemble de procédé de fabrication

La capacité du capteur à tenir compte de son environnement, et à définir son état de fonctionnement

+Introduction d'une capacité locale de calcul grâce à la miniaturisation

Capteurs Intelligents

Définition

Capteur Intelligent

Un système composé de plusieurs sous-systèmes dont les fonctions sont clairement distinct dont les principaux sont:

- un ou plusieurs capteurs

- les conditionneurs associés

- organe de calcul interne

- interface de communication

Calculateur central

BUS

Mesurandes

Grandeur d'influence

Différence Capteur intelligent / capteur classique

- Capacité de calcul interne

- Interface de communication bidirectionnelle

capteur « smart » et capteur intelligent

— l’instrument analogique a pour rôle une simple conversion ;pour le capteur il s’agit de la transformation d’une grandeur physique en un signal électrique exploitable

— l’instrument numérique offre la même fonction de conversion, mais au travers d’une chaîne de traitements dans laquelle figure une ou plusieurs opérations numériques, susceptible d’améliorer cette fonction élémentaire ; comme par exemple, la numérisation de la mesure en vue de son utilisation par une centrale d’acquisition via une liaison série ;

— l’instrument « smart » possède des fonctionnalités qui améliorent ses performances métrologiques, par des fonctions embarquées de mémorisation et de traitement de données ;

— l’instrument intelligent enrichit cela d’une capacité à crédibiliser sa fonction associée à une implication plus importante dans la réalisation des fonctions du système auquel il appartient.

Architecture matérielle générique d’un capteur intelligent

Fonctionnalités d'un capteur intelligent

Capteur intelligent = capteur fournissant une mesure + d'autres services

Fonctionnalités nécessaires à une instrumentation industrielle

Métrologie

Auto-adaptabilité,

remplacement des données manquantes

validation de mesure

traitement du signal

Maintenance

Auto-surveillance

Auto-diagnostic

Contrôle à distance

Mise en service

Configuration à distance

Fonctionnalités d'un capteur intelligent

Fonctionnalités métrologiques

Auto-adaptabilité

Capacité du capteur intelligent à s'adapter au signal mesuré.

Exemples

Amplificateur à gain variable

Filtre à fréquence de coupure variable

Fonctionnalités métrologiques

Remplacement des données manquantes

Défaillance ponctuelle du capteur => données non disponible à un temps t

Technique permettant d'estimer les données manquantes à partir des données disponibles

Fonctionnalités métrologiques

Précision et validation des mesures

Précision

Validation des mesures évaluation de la qualité de la mesure,

détection de mesures aberrantes

Traitement du signal

Mise en place à proximité de la source de données d'un système de traitement de l'information

Filtrage des résultats pour n'obtenir que l'information utile

prise en compte et compensation des grandeurs d'influence (température, pression …)

Fonctionnalités de maintenance

Configuration à distance

Communication bidirectionnelle traitement numérique des données+

flexibilité instrumentale

ExemplesTransmission d'un fichier d'initialisation ou d'un programme de traitement approprié

Exploitation, détection de défaut, recherche de diagnostic

Après configuration, le système est autonome. Transmission de l'information utile

Surveillance de processus

Détection d'anomalie déclenchement d'une alarme

Détection de défaut, recherche de diagnostic

Étude des relations de cause à effet, entre l'anomalie et sa cause

Analyse statistique : test d'hypothèses, calcul d'estimée et comparaison avec des données réelles

La connaissance des propriétés statistiques du bruit est importante puisqu'elle permet de mieux modéliser les aléas du signal

Auto-diagnostic

Définition

Capacité d'un capteur à effectuer l'évaluation de son état de fonctionnement et de diagnostiquer l'élément éventuellement en dysfonctionnement

Caractéristique importante d'un capteur intelligent!

Exemple de montage pour auto-diagnostic Mise à la masse de l'entrée

mesure d'une tension de décalage

Entrée mise à une tension de référence

Mesure du gain

Contrôle de l'entrée via un CNA

Validation du bon fonctionnement du CAN et CNA

Auto-diagnostic Auto-diagnostic d'un amplificateur différentiel

Validation du G différentiel et du Taux de réjections du mode commum

Auto-diagnostic

Auto-diagnostic des capteurs

Difficile, car il faudrait appliquer au capteur une grandeur physique d'amplitude connu.

Questions - La grandeur mesurée est -elle comprise dans l'EM?

- La grandeur mesurée est elle compatible avec l'historique?

- La rapidité de variation de la grandeur mesurée est elle raisonnable?

- Est ce que la grandeur mesurée fluctue?

Solution simple : Duplication ou Triplication des capteurs.

Structure d'un capteur intelligent

Un capteur intelligent a une structure très variable et dépend fortement des technologies utilisées

Objectif : Miniaturisation et un seul boîtier

Structure minimal

Capteur

Température

ConditionneurAmplificateur

CAN Microprocesseur Bus

Compensation de température + unité de calcul local

Structure d'un capteur intelligent

Structure complexe

Capteur

Température

Vref

GND

ConditionneurAmplificateur

CAN Microprocesseur

CNA

RAM ROM

Entrée/ Sortie

Bus

Unité de Calcul Local+ Fonctionnalités diverses

Système d’automatisation à intelligence distribuée (SAID)

Les installations d’automatismes Une architecture centralisée,

un ensemble de capteurs et d’actionneurs raccordés par des liaisons directes via des cartes d’entrées/sorties numériques ou analogiques à une unité de traitement

L’augmentation croissante du nombre d’informations

Développement d’unités de traitement de plus en plus performantes, capables de traiter rapidement un grand nombre d’informations

Une première évolution est apparue avec l’introduction des bus de terrain [S 7 574] Réseaux locaux industriels : ils ont permis de déporter les entrées/sorties (E/S)

digitales et analogiques, et de réduire les coûts et temps de câblage .

L’étape suivante dans l’évolution des automatismes a été de répartir l’unité centrale et de rapprocher les traitements au plus près des équipements. On parle alors de systèmes automatisés à intelligence distribuée (SAID)

L’instrument intelligent en terme de services

un instrument intelligent se caractérise fondamentalement par les fonctions qu’il peut offrir aux intervenants et ce tout au long de son cycle de vie .

Quant à sa mission première

— réaliser l’acquisition d’une mesure primaire de la caractéristique physique à mesurer

— élaborer une image de la grandeur principale en tenant compte des grandeurs d’influence, et des éventuelles non-linéarités de type hystérésis,

— valider la mesure : il s’agit de crédibiliser la mesure en s’assurant du bon fonctionnement de l’instrument

— fournir une mesure opérationnelle, qui peut être aussi bien une mise en forme dans une unité particulière que l’élaboration d’une grandeur « virtuelle » c’est-à-dire non mesurée directement, mais élaborée à partir de la mesure de plusieurs points (cas d’unemoyenne) ou de plusieurs phénomènes physiques ;— fournir une mesure repérée dans le temps, pour traitement avec d’autres grandeurs issues d’autres équipements en exploitation et également pour constitution d’historiques.

Quant à son intégration au système

— offrir une communication évoluée permettant un dialogue numérique avec les autres équipements du système d’automatisation, en l’occurrence de préférence via un réseau de terrain acceptant une diffusion des informations entre tous les équipements ;

— générer des grandeurs « virtuelles », c’est-à-dire non directement mesurées, mais élaborées à partir des grandeurs physiques disponibles et des modèles de calcul (exemples : génération d’alarmes en cas de défaillance détectée, historiques des dernières valeurs délivrées, des dépassements de seuils, des modifications deparamétrages, des consignes, etc.) ;

— fournir une image des grandeurs physiques locales grâce aux capteurs proprioceptifs : ceci à des fins de détection de défaut par comparaison avec d’autres mesures d’autres instruments, puis à des fins de diagnostic de l’instrument ;

— offrir des possibilités d’autocalibration, l’instrument choisissant automatiquement l’échelle la mieux adaptée aux grandeurs à mesurer, où au niveau d’amplitude voulu des actions ;

— permettre un étalonnage des chaînes de mesures et de tests chaînes d’actionnement en ligne, soit grâce à des dispositifs uniquement internes tels que des grandeurs étalons (pour les capteurs) ou la capacité de réaliser des cycles tests de manœuvres (pour les actionneurs), soit en collaboration avec d’autres équipements lorsque le processus a été conçu pour permettre une configuration d’étalonnage ou de test ;

— offrir des possibilités de reconfiguration en ligne… ;

— mémoriser des informations en temps réel sur des dysfonctionnements et, éventuellement, diagnostiquer des défauts, (type, nature…) ;

— possibilités d’autosurveillance, en particulier pour les équipements sollicités ponctuellement ;

— proposer une configuration par défaut, un éditeur de configuration, une validation des paramètres saisis… ;

— stocker insitu diverses informations constructeur tel que le numéro de série, la date de fabrication, voire le lien avec la documentation ou les plans… permettant un meilleur suivi de produit ;

— générer des informations pour la gestion technique tel que le nombre d’heures de fonctionnement, le nombre de manœuvres, la consommation…

Quant à son cycle de vie

Le capteur connaît d’autres phases du cycle de vie, qui vont de la conception, à la fabrication, à la distribution, puis à l’exploitation au sens large et au démantèlement, avec éventuellement des étapes de stockage. Différents acteurs sont en relationavec lui : fabricant, vendeur, installateur… Ils peuvent aussi également bénéficier de l’intelligence de l’équipement.

Les apports de l’intelligence concernent

— la possibilité de stocker la fiche signalétique de l’instrument (nom du fabricant, nom du produit, numéro de série, date de fabrication, date de mise à jour du logiciel…) ;

— la possibilité de surveiller certains paramètres pour s’assurer des bonnes conditions d’utilisation (stockage des valeurs maximales et minimales de certaines grandeurs…) ;

— le traçage des événements relatifs aux défaillances en vue d’améliorer le produit ;

— éventuellement, la surveillance des conditions de stockage ;

— des services préprogrammés, en permettant une grande modularité quant à l’emploi de ces instruments et en facilitant les éventuelles évolutions du système.

Notion de services et cohérence des services

Un service est équivalent à une fonction et correspond au résultat de l’exécution d’un ensemble de traitements. Ainsi, le service fondamental est :

— pour un capteur de fournir l’image d’une grandeur physique ;— pour un actionneur d’agir sur le processus selon une intensité modulée.

—les services dits nominaux (pour lesquels toutes les ressources matérielles sont disponibles) ;—les services dits dégradés (lesquels peuvent être rendus malgré qu’une partie de ces ressources soit indisponible, et ce grâce à des traitements de substitution mais certes, de manière peut-être moins efficace) ;— enfin les services dits indisponibles (lorsque l’instrument n’est plus capable de remplir la fonction demandée).