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CAPTEURS ET ACTIONNEURS INTELLIGENTS __________________________________________

CAPTEURS ET ACTIONNEURS INTELLIGENTS ________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. S 7 520 − 4 © Techniques de l’Ingénieur « crédibilisation » fait référence à une certaine capacité à valider la mesure produite pour le capteur ou à rendre compte de la réalisation effective de l’action pour l’actionneur. Quant à l’« implication plus importante », elle concerne, entre autre, sa par- ticipation à la commande du système en intégrant des fonctions de commande-régulation, à la sécurité du système en offrant des pos- sibilités d’alarme, à l’exploitation du système en diffusant des infor- mations relatives à sa maintenance telles que la date du dernier entretien… Les équipements intelligents coopèrent via un système de communication dédié, sélectionnent les données à transmettre, éventuellement, prennent des décisions. L’ensemble constitue l’ossature d’une véritable base de données temps réel. La classification précédente n’est pas cependant universelle. Un instrument est souvent considéré comme intelligent dès qu’il intègre au moins un traitement numérique (complexe ou non) et ce quel que soit son apport en terme de services. Outre des raisons de « marketing », ceci est dû à une très grande similitude entre l’archi- tecture matérielle de l’instrument numérique, et celle de l’instru- ment intelligent. La distinction entre « smart sensor » et « intelligent sensor » est illustrée par la figure 4. D’un point de vue matériel, un instrument intelligent se compose alors de trois sous-ensembles : — une unité de traitement numérique (c’est-à-dire une unité de calcul associée à de la mémoire) ; — une interface de communication permettant un dialogue bidi- rectionnel numérique avec le reste du système ; — un transducteur-conditionneur pour le capteur (figure 5) ou un organe d’actionnement pour l’actionneur (figure 6). Pour conclure, un capteur ou un actionneur intelligent peut être considéré comme un véritable « système embarqué », qui devra posséder son propre système d’exploitation lui permettant de coo- pérer au sein d’une organisation plus complexe. 2.2 L ’instrument intelligent en terme de services De ce qui précède, un instrument intelligent se caractérise fonda- mentalement par les fonctions qu’il peut offrir aux intervenants et ce tout au long de son cycle de vie. Dans ce paragraphe, on s’attachera donc à recenser les fonctions caractéristiques de ce type de compo- sant. Figure 4 – capteur « smart » et capteur intelligent Figure 5 – Architecture matérielle générique d’un capteur intelligent Capteur intelligent Capteur « smart » Métrologie Traitement du signal Automatisation Intégration Capteur « classique » Connexion point à point Connexion point à point Réseau(x) de terrain Compensation Conditionneur(s) Alimentation(s) Transducteur(s) Mémoire Organe de calcul interne Interface de communication Phénomène physique Grandeurs d’influence Réseau de communication Par la suite, on adoptera cette dernière définition dans laquelle l’instrument n’est considéré comme intelligent que par les fonctions complémentaires qu’il est susceptible de rendre. — 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 amélio- rent ses performances métrologiques, par des fonctions embar- quées 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 réali- sation des fonctions du système auquel il appartient. Cette 2. Concept de capteur et d’actionneur intelligent 2.1 Définition et caractéristiques Un capteur (respectivement un actionneur) intelligent est obtenu par l’association de la technologie des capteurs (respectivement des actionneurs), de l’électronique et de l’informatique. Un instrument intelligent (qu’il soit capteur ou actionneur) est un équipement qui intègre des fonctionnalités supplémentaires ou évoluées aptes à améliorer ce pourquoi il a été conçu. Ainsi, en plus de sa fonction élémentaire d’acquisition d’une grandeur physique dans le cas de capteur ou d’influer sur un processus dans le cas de l’actionneur, on attend d’un instrument qu’il offre des fonctions de compensation, de validation, d’autodiagnostic ou encore d’intégration au système de conduite, associées à des moyens de communications adaptés. C’est au travers de ces nouveaux services qu’un instrument intelligent se distingue d’un composant standard. De manière géné- rale, l’évolution des instruments fait apparaître une gradation allant de l’instrument analogique, à l’instrument numérique puis à l’instru- ment intelligent avec les limites suivantes : — l’instrument analogique a pour rôle une simple conversion ; pour le capteur il s’agit de la transformation d’une grandeur physi- que en un signal électrique exploitable ou pour l’actionneur d’un signal en une action sur le processus. Cette fonction ne sera pas détaillée ici, nous renvoyons le lecteur aux différents ouvrages sur le sujet [6] [7] ; ________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS ET ACTIONNEURS INTELLIGENTS Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur S 7 520 − 5 2.2.1 Quant à sa mission première ■Parmi les fonctions primordiales d’un capteur intelligent, on peut citer : — réaliser l’acquisition d’une mesure primaire de la caractéristique physique à mesurer : c’est le travail du corps d’épreuve, du trans- ducteur et du conditionneur de fournir un signal électrique repré- sentatif de la grandeur mesurée ; — élaborer une image de la grandeur principale en tenant compte des grandeurs d’influence, et des éventuelles non-linéarités de type hystérésis, par exemple : il s’agit d’intégrer d’autres sources d’infor- mations (capteurs locaux ou données externes) afin d’affiner et de corriger la mesure ; — valider la mesure : il s’agit de crédibiliser la mesure en s’assu- rant du bon fonctionnement de l’instrument (mesure de tension d’alimentation, de la température de l’électronique), de la cohérence de la mesure soit de manière locale (détection de mesures aberran- tes dans une série temporelle), soit en la confrontant à d’autres sources extérieures ; — 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’une moyenne) ou de plusieurs phénomènes physiques ; — fournir une mesure repérée dans le temps, pour traitement avec d’autres grandeurs issues d’autres équipements en exploita- tion et également pour constitution d’historiques. Parmi les qualités exprimées d’un capteur, à savoir justesse, fidé- lité, exactitude, capacité de portée, sensibilité, linéarité, finesse, rapidité résolution, traçabilité, répétabilité, reproductibilité, l’exacti- tude est la caractéristique qui est le plus souvent privilégiée par les utilisateurs (figure 7). Les traitements implantés au sein des capteurs intelligents per- mettent évidemment d’améliorer les performances en termes d’exactitude, mais peuvent aussi conduire à une augmentation de la rangeabilité de portée qui permet d’utiliser le même capteur dans des gammes diverses. ■Parmi les fonctions primordiales d’un actionneur intelli- gent, on citera : — agir sur le processus ; — informer l’utilisateur de la réalisation effective de l’action : cette activité nécessite l’utilisation de capteurs internes, dits pro- prioceptifs (génératrice tachymétrique, capteur de position, fin de course…), ou de données externes provenant de capteurs extéro- ceptifs (capteur de débit, capteur de pression…) rendant compte de l’action ; — valider l’ordre reçu avant exécution, et vérifier la cohérence par rapport au mode de fonctionnement courant de l’instrument (exemple : pas de commande manuelle lors d’un fonctionnement automatique) ; — élaborer les ordres à transmettre au préactionneur en fonction d’une consigne donnée par l’utilisateur, compte tenu des grandeurs physiques et des modèles de commande disponibles [commande PID (proportionnelle intégrale dérivée), commande optimale, com- mande autoadaptative, commande floue…]. 2.2.2 Quant à son intégration au système À cet ensemble de fonctions relatives à la mission première, on peut attendre d’un instrument intelligent d’autres fonctions aptes à favoriser son intégration au sein d’un système d’automatisation. Parmi celles-ci, on peut recenser les suivantes : — offrir une communication évoluée permettant un dialogue numérique avec les autres équipements du système d’automatisa- tion, en l’occurrence de préférence via un réseau de terrain accep- tant une diffusion des informations entre tous les équipements ; — générer des grandeurs « virtuelles », c’est-à-dire non directe- ment 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 de paramétrages, 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 ; — permettre un passage automatique dans une position de repli sur certains dysfonctionnements ; — offrir des possibilités d’autocalibration, l’instrument choisis- sant 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 unique- ment internes tels que des grandeurs étalons (pour les capteurs) ou la capacité uploads/Industriel/ capteur-intelligent.pdf