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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES

sixième partie (6/7) : caractéristiques

implémentation de fonction spécifique voir l'ampli_op
caractéristiques techniques système un grand tableau
amélioration de la précision le feedback
la fiabilité et les causes de panne disponibilité, réparabilité...
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Implémentation de fonctions

Un certain nombre de fonctions sont susceptibles d'être implémentées dans un système d'acquisition de données afin de mettre en forme le signal afin de le rendre exploitable ou compréhensible par l'utilisateur. C'est généralement le cas lorsqu'on ne dispose pas d'un capteur générant une information directement proportionnelle au paramètre que l'on veut mesurer. Pour plus d'information sur ces techniques nous renvoyons le lecteur intéressé aux chapitres qui traitent des applications de l'amplificateur opérationnel, des applications de filtrage ainsi que des principes de conversions analogiques numériques et vice versa.

fonctions analogiques

filtres

conversions

caractéristiques d'un système

Les spécifications d'un système font l'objet du cahier des charges dont nous avons déjà parlé. Nous allons revenir ici sur certaines d'entre elles en insistant sur les aspects techniques, la tolérance aux pannes, l'ergonomie et les contraintes environnementales

techniques

Les spécifications techniques doivent évidemment préciser le domaine de mesure (c'est à dire l'étendue de mesure), la résolution (c'est à dire la plus petite variation de la grandeur à mesurer que l'on doit détecter), la précision (c'est à dire la probabilité que la valeur mesurée soit correcte) qui se décline en un très grand nombre de variables, de même que les comportements temporels du système. Le tableau ci-dessous dont nous ne garantissons pas l'exhaustivité liste ces différents paramètres. On notera x la grandeur d'entrée (à mesurer) et y la grandeur de sortie (de l'instrument).

paramètre symbole description résumée
étendue de mesure e.m. ou f.s plage entre le minimum et le maximum de la grandeur mesurée (full scale)
résolution dxmin plus petite variation de la grandeur d'entrée détectable à la sortie
sensibilité absolue S = dy/dx
à x donné		 rapport de la variation de la grandeur de sortie à celle d'entrée pour une entrée donnée
sensibilité relative dy/dx
pour x=0		  
sensibilité croisée dy/dxi
i=1, 2, 3...		 on appelle ainsi la sensibilité définie pour 1 mesurande quand il y en a plusieurs
précision   probabilité que la valeur mesurée soit correcte
incertitude   1 - précision
erreur absolue y-v v vraie valeur, y mesure
erreur relative (y-v)/y  
erreur relative
% d'e.m.		  
non linéarité Dxmax déviation maximale par rapport à la droite optimale approximant la réponse
slew-rate V/µs vitesse maximale de variation de la sortie sans distorsion
largeur de bande B différence de fréquence entre la valeur nominale et celle correspondant à un affaiblissement de la grandeur de sortie de 3dB
hystérésis   déviation du signal de sortie par rapport à l'entrée résultant d'une variation quelconque de celle-ci
offset mV ou µV valeur du signal de sortie quand l'entrée est à zéro
dérive µV/mois, µV/K lente variation du signal de sortie en fonction du temps ou de la température à entrée constante
plage de température Tmax-Tmin dans laquelle le système est conforme à ses spécifications
reliabilité R(t) probabilité qu'a le système de fonctionner correctement après une période de temps définie
mean time between failure MTBF durée moyenne de fonctionnement entre deux pannes successives
Rapport de réjection de mode commun RRMC rapport entre la tension de mode commun et la tension de mode différentiel produisant la même tension de sortie

amélioration de la précision

La précision d'un système résulte essentiellement de l'accumulation d'un certain nombre d'erreurs que l'on peut classer en 3 grandes familles : systématiques, conditionnelles et stochastiques nous donnons dans le chapitre sur la métrologie quelques informations sur ces erreurs. Nous allons maintenant montrer quelques techniques pour améliorer les caractéristiques d'un système.
Le principe de contre-réaction (feedback)

Supposons un système ayant une fonction de transfert H1(j) et une constante de temps 1, K est un atténuateur. Le signal d'entrée est Si et la sortie So


un rapide calcul montre que la fonction de transfert Ht de l'ensemble s'exprime par. On peut déduire de cette expression les conclusions suivantes :
  • si H1 est très grand, alors Ht est peu différent de 1/K c'est à dire indépendant de H1. Si K, comme c'est généralement le cas, est constituée de composants passifs, c'est facile à mettre en oeuvre.
  • Si la fonction de transfert H1 est du type où Ao est le gain en boucle ouverte de l'amplificateur, l'examen du diagramme de Bode de l'amplitude en fonction de la fréquence montre un accroissement de la bande passante, donc la contre-réaction diminue le gain mais augmente la bande passante.
    • double couplage direct
    Un autre procédé pour améliorer la précision est représenté par la figure ci-dessous


    Les deux fonctions de transfert H1 et H2 sont supposées identiques à 1/K, mais en réalité, pour des raisons de technologie, elles différent légèrement et l'on a H1 = (1-)/K et H2 = (1-)/K on voit sur la figure que So = S2H2 + S1 et S2 = Si - KS1 et S1 = SiH1, on en tire l'expression de So en fonction de Si, H1 et H2 et en substituant H1 et H2 par leur expression on aboutit à

    si et sont de l'ordre de 10-3, ce qui peut être obtenu raisonnablement avec les composants modernes, on voit que la précision obtenue sera de l'ordre de 10-6. Bien évidemment cela suppose néanmoins une bonne précision au niveau du comparateur et de l'additionneur, que la fonction K soit correcte et la fréquence pas trop élevée ou que l'on sache ajuster finement les constantes de temps pour que les deux voies en parallèle possèdent les mêmes constantes totales.

    Notons que ces procédés ont une influence sur les impédances d'entrée et de sortie du système qui sont respectivement augmentée et diminuée.

    la fiabilité

    Le besoin de connaissance a priori concernant la fiabilité (ou la reliabilité) d'un système s'est généralisé dans les années 70. Dans un système relativement simple et possédant peu d'éléments on peut estimer cette caractéristique assez aisément, mais comment faire dès lors qu'on emploie des processeurs possédant 108 transistors ? La fiabilité repose sur la qualité des divers constituants du système, laquelle dépend des procédures de contrôle qualité mises en oeuvre lors de leur fabrication. Actuellement il existe des protocoles de production définis par les différents partenaires et devant être respectés à toutes les étapes de la fabrication dans le cadre des normes de qualification ISO 9000. Nous n'entrerons pas ici dans les considérations économiques liées à ces concepts, non plus qu'à tenter d'identifier quelles pourraient être les conséquences d'une défaillance du système. Nous nous contenterons d'évoquer comment essayer de prédire la durée de vie d'un instrument fonctionnant dans des conditions définies.

    En fait plusieurs notions sont en jeu:
    • la qualité, c'est à dire la totalité des caractéristiques d'un produit capable de remplir le service attendu par un utilisateur (c'est à dire en respectant ses spécifications)
    • la durée de vie, c'est à dire la durée totale du temps s'écoulant entre la naissance et la mort du système, sous les conditions de respect des exigences de maintenance prévues
    • la reliabilité c'est la probabilité que le système puisse effectivement accomplir sa fonction avec les performances attendues après une certaine période d'opération. Alors que la qualité est une notion intemporelle, la reliabilité dépend du temps. On peut dire que la reliabilité c'est la qualité en fonction du temps. On exprimera cette notion quantitativement en faisant appel aux notions classiques de probabilité-statistique.
    • Ainsi si un système tombe en panne en moyenne l fois durant sa durée de vie, on pourra exprimer la probabilité pour x systèmes de tomber en panne sur une durée t grâce à une distribution de Poisson f(x,l,t) = e-ltlt/x. Ainsi si l'on appelle R(t) la probabilité que le système ne tombe pas en panne sur un intervale de temps compris entre 0 et t, on montre que R(t) = f(0) = e-lt où h(t) représente la quantité l dans le cas où le taux de panne est une fonction du temps.
    • le MTBF mean time between failure peut alors s'exprimer comme étant 1/l soit encore l'intégrale de R(t) entre 0 et l'infini.
    • Il est clair que très souvent un système peu coûteux aura une faible fiabilité et un coût de maintenance élevé et vice versa. Aussi il existe généralement un optimum intermédiaire entre ces deux extrêmes qu'il convient d'approcher au mieux. La redondance de certains éléments peut-être envisagée. Par ailleurs il convient d'examiner l'aspect fiabilité lorsqu'on imagine un système de type décentralisé avec multiplexage (quelle est l'architecture la plus à risque de panne? convient-il de remplacer un système avec des modules en série par un système privilégiant les mises en parallèle? = MTBF en série, MTBF en parallèle).
    disponibilité, réparabilité
    La dernière notion dont nous tiendrons compte dans la conception d'un système est liée à la disponibilité. L'idée est que certains éléments sont irréparables et, dans ce cas, on doit garantir la disponibilité de pièces de rechange, tandis que lorsque la réparation est plausible ce ne sont plus les mêmes éléments qu'il faudra tenir en stock, mais il faut alors préciser la durée probable de maintenance et donc de non disponibilité du système et expliciter le coût pour l'entreprise: vaut-il mieux faire un échange standard en quelques secondes d'une carte complète ou procéder à son dépannage en quelques heures, sachant que le coût des éléments à stocker est très différent, mais qu'un arrêt de production peut aussi être très coûteux ?
    les causes de panne
    • environnementales : le système n'a pas été conçu en tenant compte des réalités environnementales. Rappelons quelques conséquences de certaines conditions d'environnement:
    type d'environnement conséquence prévisible
    température, rayonnement UV vieillissement, craquelures, perte d'étanchéité
    cycles thermiques fatigue, dérives à long terme
    humidité corrosion, court-circuits, courants de fuite
    vapeur court-circuit
    produits chimiques, corrosion
    huiles et solvants dissolution des caoutchoucs

    • conceptuelle : un exemple d'erreur de conception à ne pas commettre, c'est lorsqu'on a besoin de mettre un potentiomètre de réglage pour ajuster une résistance variable ou un potentiel et d'oublier que lorsqu'il est en butée il peut être équivalent à un court-circuit et dans ce cas provoquer la destruction d'un autre composant lié, voire de tout un ensemble. Il faut toujours mettre une résistance en série pour éviter ce risque.
    • fabrication : erreur ou détérioration partielle pendant la fabrication ou la manipulation/le stockage
    • aléatoires : en apparence seulement, car une analyse fine ferait apparaitre une cause précise mais imprévue telle une accumulation d'effets qui, pris séparément, sont non destructeurs.
    • facteur humain : les causes d'origine humaines sont légion. On citera les défauts de communication (l'opérateur ignorait une procédure), l'excès de hâte, la faute délibérée (non respect d'une consigne jugée sans importance ou acte véritable de malveillance), ou simplement une défaillance dans l'organisation du contrôle qualité (ISO 9000). Fréquemment dans cette catégorie on trouve l'emploi de personnel intérimaire non formé aux spécifications techniques de l'entreprise.
    • logiciel : enfin, et ce n'est pas forcément la cause la plus rare, une mauvaise conception du software, non conçu en respectant le principe de tolérance aux pannes par reconfiguration automatique ou basculement d'une procédure à une autre en cas d'anomalie.
    • messages : en outre dans la partie logicielle il y a souvent des messages, en particulier des messages d'aide. Il est recommandé de ne pas les mettre dans le programme principal mais de les regrouper dans un répertoire spécifique ce qui facilitera grandement la maintenance du logiciel. En particulier si l'on doit traduire ces messages dans une autre langue, il est évident que ce sera infiniment plus simple si tous sont regroupés dans un module à part plutôt que dans le cours du programme principal qui lui n'est pas modifié lors d'un changement de nationalité.
    Quelques considérations concernant la tolérance aux pannes
    Les systèmes automatisés sont parfois d'une extraordinaire complexité et leur conduite, tout autant que leur maintenance, nécessite l'analyse de nombreuses informations provenant de multiples capteurs. Que faire lorsque un ou plusieurs capteurs sont momentanément défaillants ? C'est à cette question que nous allons essayer d'apporter non des réponses mais quelques éléments de réflexion propres à identifier le type de réponse à apporter à un cas précis.

    Les process industriels sont de plus en plus dépendants de l'instrumentation et il est simultanément de plus en plus intolérable qu'un outil de production ne puisse plus accomplir sa mission en raison d'une panne de capteurs. Aussi toute défaillance de capteurs (ou de l'instrumentation associée) doit être détectée le plus rapidement possible d'une part, et d'autre part, un diagnostic doit être effectué afin d'établir rapidement une stratégie permettant de limiter les risques en terme de sécurité et de décision de continuation ou d'interruption du process de production.

    Divers travaux ont été menés depuis le début des années 80 concernant la localisation et la détection des défauts de capteurs et de nombreux outils existent à cet effet. Ensuite se pose la question de l'interruption du process ou de sa continuation en mode dégradé tout en conservant les performances souhaitées. Dans ce dernier cas, le plus intéressant, deux approches sont envisageables:

    l'accommodation : c'est à dire la poursuite du process sans remise en cause des objectifs. Cela suppose que l'on puisse corriger ou annuler les effets des défauts de capteurs, soit par compensation des erreurs, soit par ajustement du système ou sous-système contenant l'élément défaillant, soit par reprise du processus à partir d'un état initial connu.

    la reconfiguration : c'est la poursuite du process mais en déterminant une nouvelle loi de commande permettant de prendre en compte l'influence des défauts, éventuellement en changeant les objectifs ce qui suppose une reconfiguration possible permettant d'atteindre de tels objectifs.

    Il est clair que l'accommodation est une solution qui implique des méthodes d'estimation, de validation de données et de modélisation. La problématique de la tolérance aux pannes et des contraintes dites d'observabilité des capteurs pour définir leur placement a donné lieu à divers travaux qu'il serait bon de lire avant de concevoir un système multi-capteur destiné à permettre le pilotage d'une unité de production du style tour de cracking ou réacteur chimique sophistiqué. Il n'est pas dans notre propos d'en faire un digest aussi nous renvoyons le lecteur interessé à la bibliographie ci-dessous [8] à [10].

    Dans la suite nous essayons de reprendre le problème de la conception d'un système d'une manière synthétique.

    [1] E. O. Doebelin, Measurement Systems, 4th ed., McGraw-Hill (New York) , 1990.

    [2] R. S. Figliola and D. E. Beasley, Theory and Design for Mechanical Measurements, 2nd ed., Wiley (New York), 1995.

    [3] D. Wobschall, Circuit Design for Electronic Instrumentation: Analog and Digital Devices from Sensor to Display, 2nd ed., McGraw-Hill (New York), 1987.

    [4] M. Cerr, Instrumentation Industrielle, Technique et Documentation (Paris), 1979.

    [5] MM. Baissières et Gagnebert, Métrologie Générale, Dunod (Paris), 1965.

    [6] A. Chatha, Fieldbus: the Foundation for Field Control Systems, Control Engineering, 1994, May, pp 47-50.

    [7] F. J. Furrer, BITBUS-Grundlagen und Praxis, Hüthig Buch Verlag (Heidelberg), 1994.

    [8] G. Hoblos & al., Optimal design of fault tolerant sensor network, Conf. on Control Appl.CCA 2000, Anchorage, 25-27/09/2000, pp 467-472.

    [9] J. Levine & al., On fault tolerant observers, IEEE Trans. Automat. Contr., vol 35, 1990, pp 623-627

    [10] D. Mc Lean, S Aslam-Mir, Optimal integral control of trim in a reconfigurable flight control system, Control Eng. practice, vol.2 (3), 1994, pp 453-459.

    [11] R. Perdriau, P. Plainchault, réseaux de capteurs/actionneurs : la solution Ethernet/IP, in F. Lepoutre & al., Systèmes et Microsystèmes pour la Caractérisation, Hermès éd., Paris, 2001, vol2, pp 439-445.

    [12] G. Asch & al., les capteurs en instrumentation industrielle, 5ème édition, Dunod, Paris, 1998.

    [13] G. Asch & al., Acquisition de données, du capteur à l'ordinateur, Dunod, Paris, 1999.

    [14] M. Grout, Instrumentation Industrielle : Spécification et installation des capteurs et des vannes de régulation, Dunod, Paris, 2002.