WO1999029070A1 - Reseau de terrain a haute securite et disponibilite - Google Patents

Reseau de terrain a haute securite et disponibilite Download PDF

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WO1999029070A1
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Gilbert Dubal
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Icare (S.A.)
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/42—Loop networks
    • H04L12/437—Ring fault isolation or reconfiguration
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    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/42—Loop networks
    • H04L12/423—Loop networks with centralised control, e.g. polling

Definitions

  • the present invention relates to a high security and availability field network relating in particular to automation, to the monitoring of industrial processes, and to any installation where data security and the availability of the installation are necessary.
  • each local device or instrument being generally connected by its own cable, or set of cables, to these centralized stations.
  • the "field networks” are gradually replacing this centralized organization by outsourcing the processing of information over the entire route of a "bus" that travels the site.
  • Instruments dedicated to the detection of danger are potentially subject to risks of degradation generated by their environment, mechanical shock, chemical attack, fire or explosion for example. In these critical situations, their operation is particularly important. Without further precautions, the destruction of a cable by a fire located in an area, for example, would prevent the routing of the fire alarm for which the network was set up. This destruction would make ineffective the detection of other areas not yet subject to the phenomenon and served by the same cable.
  • Different "field networks" known to date have given rise to variants in so-called high security installations, and allow the implementation of two redundant cables. In the event of a fault on a communication channel, the information passes through the parallel channel. This device improves the availability of equipment in the event of instrument failure. It does not completely solve the problem of aggression on the cable itself since the doubled cables generally use the same route.
  • the system according to the present invention aims to remedy this state of affairs. It makes it possible to permanently ensure the flow of information by different channels. Thus, on local deterioration or destruction of the information medium, the information will use the other route, the alert will be transmitted and the fault located for maintenance intervention. It is characterized by ringing the entire network in areas exposed to aggressive environments, by means of a cable carrying information and a cable ensuring the electrical supply of the instruments, these two cables being able to constitute only one and being associated with hardware devices which ensure the isolation and non-propagation of the fault, and with software devices taking charge of the detection of faults, their location, and the substitution measures ensuring the sustainability of the operation of the facility pending curative intervention.
  • FIG. 1 represents a network in normal operation, showing the routing of the information transmitted by a station connected to the cable in loop
  • FIG. 2 is an enlargement of detail D in FIG. 1 showing the connection element ensuring the routing of information
  • FIGS. 3 and 4 respectively represent a network comprising a defect in the cable or in the part of the cable transmitting the information, and a network comprising a defect in the cable or in the part of the cable ensuring the electrical supply of the connected stations
  • FIG. 5 illustrates a variant of a network comprising a single source of electrical supply
  • FIG. 6 represents a second variant in which several power sources each supply a cluster of instruments.
  • the device is formed of a double loop network, a transmission loop 1 and a power supply loop 2 to which the devices exchanging information on the network, or "subscribers" A1, A2, are connected. ..Year....
  • the hardware and software devices used in the context of the invention take into account the possible rupture of these conductors, their short-circuiting and any intermediate condition leading to deterioration of performance, leakage between conductors or increase in resistance. series.
  • each network subscriber is connected to the cable transmission loop 1 through coupling elements 3 ensuring galvanic isolation from the two branches of the network.
  • These elements include pulse transformers 4 and electronic signal shaping devices, so that a short circuit or an open circuit on one of the branches is not passed on to the other branch.
  • each subscriber Al, .., Az receives information which it repeats to the next subscriber, and which it possibly uses if it is a recipient.
  • the next in the chain repeats the message and gradually transmits the information to the recipients.
  • Certain messages may require an acknowledgment of receipt, which will, if necessary, be transmitted identically.
  • central C supervises the network.
  • This central unit also has dual access to the network and "closes" the ring in software.
  • all the messages which pass through the network are doubled and received on the two branches; the control panel checks for the presence of each message and its duplicate, checks that the two messages are replicas of each other, and interrupts the routing. In the same way, it exploits the information which concerns it and transmits its own messages simultaneously on the two branches of the network.
  • the central office receives only one message for each transaction, originating from a single branch. It then transmits messages and acknowledgments to the other branch (arrow 5).
  • all the "subscribers" can be supplied by two connections 6, 7 connected to the supply chain 2.
  • two electrical supplies El, E2 distributed along of the network provide energy by two different paths
  • Each subscriber is equipped with means, such as a relay or contactor 8, allowing the circuit to be opened.
  • means such as a relay or contactor 8
  • the subscriber detects the fault using test means provided for this purpose, opens the supply network to to prevent the spread of the incident and pass on the corresponding information to control unit C and beyond, to maintenance services. Power continues to be supplied from the healthy branch of the cable
  • the central unit selectively re-energizes the subscribers until the faulty section is isolated. In the same way, it locates and signals the fault to the supervision system.
  • the power supply loop 2 only has a single power source E ( Figure 5).
  • the supply loop 2 is in fact made up of a chain comprising several sources El, E2, ... In, each supplying a cluster of subscribers Al, A2, ... An ( Figure 6).
  • This variant makes it possible to have separate power sources in order to ensure the operation of all the other clusters when one of these power sources is faulty. These can be located on site or in a safe area such as a technical room.
  • Each cluster can be wired, looped or not, the looping possible being carried out for example by means of junction boxes 9 allowing two clusters to be connected ( Figure 6).
  • the power supply and data transmission circuits are either in the same cable, or in two separate cables, depending on the line losses and the powers consumed.
  • the possibility of interrupting the supply loop 2 is used to electrically isolate a subscriber from the network on demand.
  • the central or network maintenance terminal issues an order to open the supply circuit to the two subscribers immediately upstream and downstream of the station to be isolated.
  • the two supply connections 6, 7 are then interrupted.
  • This device is particularly advantageous for interventions in areas at risk of explosion, on explosion-proof equipment which cannot be opened under voltage. Selective power-off allows safe intervention without general interruption of the power supply.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Locating Faults (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un réseau de terrain à haute sécurité et disponibilité. Il est constitué d'un bouclage en anneau dans les zones exposées de l'ensemble du réseau au moyen d'un câble (1) véhiculant l'information et d'un câble (2) assurant l'alimentation électrique des instruments (An), ces deux câbles pouvant n'en constituer qu'un seul et étant associés à des dispositifs matériels (3, 8) assurant l'isolement du défaut, et à des dispositifs logiciels prenant en charge la détection des défauts, leur localisation, et les mesures de substitution assurant la pérennité du fonctionnement de l'installation. Il est destiné en particulier à l'automatisation, à la surveillance des procédés industriels, et à toute installation où la sécurité des données et la disponibilité sont impératives.

Description

RESEAU DE TERRAIN A HAUTE SECURITE ET DISPONIBILITE
La présente invention concerne un réseau de terrain à haute sécurité et disponibilité se rapportant en particulier à l'automatisation, à la surveillance des procédés industriels, et à toute installation où la sécurité des données et la disponibilité de l'installation sont nécessaires .
Ces opérations utilisent de nombreux instruments, capteurs, actionneurs , avertisseurs, automates divers, etc , reliés entre eux par des réseaux de câbles .
Dans les systèmes traditionnels, les informations sont regroupées sur des postes centralisés en charge de la surveillance et des actions associées, chaque appareil ou instrument local étant généralement relié par son propre câble, ou ensemble de câbles, à ces postes centralisés .
Les "réseaux de terrains" remplacent progressivement cette organisation centralisée en délocalisant le traitement des informations sur tout le cheminement d'un "bus" qui parcours le site.
Ces nouvelles structures apportent des économies de câblage, un câble unique remplaçant plusieurs dizaines, voire centaines de câbles individuels. Par ailleurs, les informations sont systématiquement numérisées et disponibles sur l'ensemble du site, utilisables par plusieurs instruments simultanément. L'installation est ainsi beaucoup moins dépendante d'un système central, ce qui contribue à sa sûreté de fonctionnement et à sa disponibilité.
Les "réseaux de terrain" déjà fortement implantés dans l'industrie manufacturière, gagnent progressivement le secteur des procédés continus. Cependant les domaines de la sécurité, des risques d'incendie et de la détection de gaz sont extrêmement sensibles à la robustesse et à la disponibilité permanente des dispositifs de détection et d'alerte. On éprouve de ce fait certaines réticences à confier à un câble unique l'ensemble des dispositifs contribuant à la sécurité des biens et des personnes .
Les instruments dédiés à la détection de danger sont potentiellement soumis à des risques de dégradation générés par leur environnement, chocs mécaniques, agressions chimiques, incendie ou explosion par exemple. Dans ces situations critiques, leur fonctionnement est particulièrement important. Sans autre précaution, la destruction d'un câble par un feu situé dans une zone, par exemple, empêcherait l'acheminement de l'alarme incendie pour lequel le réseau a été mis en place. Cette destruction rendrait inopérante la détection des autres zones non encore soumises au phénomène et desservies par le même câble. Différents "réseaux de terrain" connus à ce jour ont suscité des variantes dans des installations dites à haute sécurité, et permettent la mise en oeuvre de deux câbles redondants . En cas de défaut sur une voie de communication, les informations transitent par la voie parallèle. Ce dispositif améliore la disponibilité des équipements lors d'une défaillance des instruments. Il ne résout pas totalement le problème d'agression sur le câble lui-même dans la mesure où les câbles doublés utilisent en général le même cheminement .
Le système selon la présente invention a pour objectif de remédier à cet état de choses. Il permet en effet d'assurer en permanence un cheminement des informations par voies différentes. Ainsi, sur détérioration ou destruction locale du support d'information, les informations utiliseront l'autre route, l'alerte sera transmise et le défaut localisé pour intervention de maintenance . Il est caractérisé par un bouclage en anneau de l'ensemble du réseau dans les zones exposées à des environnements agressifs, au moyen d'un câble véhiculant l'information et d'un câble assurant l'alimentation électrique des instruments, ces deux câbles pouvant n'en constituer qu'un seul et étant associés à des dispositifs matériels qui assurent l'isolement et la non propagation du défaut, et à des dispositifs logiciels prenant en charge la détection des défauts, leur localisation, et les mesures de substitution assurant la pérennité du fonctionnement de l'installation dans l'attente d'une intervention curative.
Sur les dessins schématiques annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs de formes de réalisation de l'objet de l'invention: la figure 1 représente un réseau en fonctionnement normal, montrant le cheminement des informations émises par un poste relié au câble en boucle, la figure 2 est un agrandissement du détail D de la figure 1 montrant l'élément de raccordement assurant l'acheminement des informations, les figures 3 et 4 représentent respectivement un réseau comportant un défaut du câble ou de la partie du câble transmettant les informations, et un réseau comportant un défaut du câble ou de la partie du câble assurant l'alimentation électrique des postes raccordés, la figure 5 illustre une variante de réseau comportant une source unique d'alimentation électrique et la figure 6 représente une seconde variante dans laquelle plusieurs sources d'alimentation alimentent chacune une grappe d'instruments.
Le dispositif, figures 1 à 6, est formé d'un réseau en double boucle, une boucle transmission 1 et une boucle alimentation électrique 2 sur lesquelles sont raccordés les dispositifs échangeant des informations sur le réseau, ou "abonnés" Al, A2,...An.... Les dispositifs matériels et logiciels mis en oeuvre dans le cadre de l'invention prennent en compte la rupture éventuelle de ces conducteurs, leur mise en court- circuit et toute condition intermédiaire conduisant à la détérioration des performances, fuites entre conducteurs ou augmentation de la résistance série.
Pour la transmission des informations, qui sont totalement numérisées, chaque abonné du réseau est raccordé à la boucle transmission 1 du câble à travers des éléments de couplage 3 assurant l'isolement galvanique vis-à-vis des deux branches du réseau. Ces éléments comportent des transformateurs d'impulsions 4 et des dispositifs électroniques de mise en forme des signaux, de façon à ce qu'un court circuit ou un circuit ouvert sur l'une des branches ne soient pas répercutés sur l'autre branche .
En fonctionnement normal , chaque abonné Al , .. , Az reçoit des informations qu'il répète à destination de l'abonné suivant, et qu'il utilise éventuellement s'il en est destinataire. Le suivant dans la chaîne répète le message et de proche en proche transmet l'information aux destinataires. Lorsqu'un abonné émet lui-même un message, à son initiative, ou en réponse à une requête issue d'un autre abonné, il le fait simultanément sur les deux branches du réseau (Figure 1) .
Certains messages peuvent exiger un accusé de réception, qui sera, le cas échéant, transmis de manière identique.
Un abonné particulier, "la centrale" C, assure la supervision du réseau. Cette centrale possède également un double accès au réseau et "referme" l'anneau de façon logicielle. En fonctionnement normal, tous les messages qui transitent sur le réseau sont doublés et reçus sur les deux branches; la centrale vérifie la présence de chaque message et de son double, vérifie que les deux messages sont bien la réplique l'un de l'autre, et interrompt le cheminement. De la même façon, elle exploite les informations qui la concernent et émet ses propres messages simultanément sur les deux branches du réseau.
En cas de rupture de continuité sur l'une ou l'autre branche, la centrale ne reçoit plus qu'un message pour chaque transaction, en provenance d'une seule branche. Elle assure alors la transmission vers l'autre branche des messages et accusés de réception (flèche 5).
Dans le même temps, elle entreprend la localisation du défaut et le signale au système de supervision (Figure 3). L'application continue à fonctionner normalement, seul un message de défaut est généré localement par la centrale à destination des services de maintenance. Après réparation du réseau, les informations reprennent le cheminement normal.
En ce qui concerne l'énergie électrique véhiculée par le réseau, tous les "abonnés" peuvent être alimentés par deux connexions 6, 7 raccordées à la chaîne d'alimentation 2. En fonctionnement sans défaut, deux alimentations électriques El, E2 réparties le long du réseau fournissent l'énergie par deux chemins différents
(figures 1, 3 et 4 ) . Chaque abonné est équipé d'un moyen, tel que relais ou contacteur 8, permettant l'ouverture du circuit. En cas de discontinuité ou de surcharge anormale due, par exemple, à un court-circuit de la boucle d'alimentation 2, l'abonné détecte le défaut grâce à des moyens de test prévus à cet effet, ouvre le réseau d'alimentation afin d'éviter la propagation de l'incident et répercute l'information correspondante sur la centrale C et au-delà, aux services de maintenance. L'alimentation continue à être fournie par la branche saine du câble
(Figure 4 ) .
Au cas où l'alimentation électrique est défaillante et plusieurs "abonnés" déconnectés, la centrale procède à la remise sous tension sélective des abonnés jusqu'à isoler le tronçon en défaut. De la même façon, elle localise et signale le défaut au système de supervision. Selon une première variante d'exécution, utilisable pour des réseaux d'importance limitée, la boucle d'alimentation 2 ne comporte qu'une seule source d'alimentation E (Figure 5).
Selon une seconde variante d'exécution, la boucle d'alimentation 2 est en fait constituée d'une chaîne comportant plusieurs sources El, E2,...En, alimentant chacune une grappe d'abonnés Al, A2,...An (Figure 6) .
Cette variante permet d'avoir des sources d'alimentation distinctes afin d'assurer le fonctionnement de toutes les autres grappes lorsque l'une de ces sources d'alimentation est en défaut. Ces dernières peuvent être localisées sur le site ou dans une zone sûre telle qu'un local technique.
Il est ainsi possible de dimensionner et de répartir les unités alimentations en fonction des puissances consommées par chaque capteur et en fonction des longueurs de câble (chute de tension en ligne) .
Chaque grappe peut être câblée rebouclée ou non, le rebouclage éventuel s 'effectuant par exemple au moyen de boîtes de jonction 9 permettant de raccorder deux grappes (Figure 6).
Pour les 4 variantes, les circuits d'alimentation électrique et de transmission des données sont soit dans le même câble, soit dans deux câbles distincts, en fonction des pertes en ligne et des puissances consommées.
La possibilité d'interrompre la boucle d'alimentation 2 est mise à profit pour isoler électriquement à la demande un abonné du réseau. La centrale ou un terminal de maintenance du réseau émet un ordre d'ouverture du circuit d'alimentation vers les deux abonnés immédiatement en amont et en aval de la station à isoler. Les deux connexions 6, 7 d'alimentation sont alors interrompues . Ce dispositif est particulièrement avantageux pour les interventions en zone à risque d'explosion, sur du matériel antidéflagrant qui ne peut être ouvert sous tension. La mise hors tension sélective permet d'intervenir en sécurité sans interruption générale de l'alimentation électrique.
Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires.

Claims

REVENDICATIONS
1°. Réseau de terrain à haute sécurité, applicable d'une manière générale à l'automatisation et la surveillance des procédés industriels, apte à transmettre, sur l'ensemble d'un site, des informations numérisées utilisables par plusieurs instruments simultanément, caractérisé par un bouclage en anneau de l'ensemble du réseau, constitué d'une boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et d'une boucle d'alimentation (2) raccordée à une ou plusieurs sources d'énergie électrique (El, E2,...En) réparties le long du réseau, chaque dispositif, ou "abonné" (Al, A2 , ...An.... ) , échangeant des informations sur le réseau étant raccordé, d'une part, à la boucle de transmission (1) à travers des éléments de couplage (3) assurant l'isolement galvanique vis-à-vis des deux branches du réseau et, d'autre part, à la boucle d'alimentation (2) par l'intermédiaire de deux connexions (6, 7) pouvant être isolées l'une de l'autre grâce à un moyen, tel que relais ou contacteur (8), permettant l'ouverture du circuit, un abonné particulier, "la centrale" (C), possédant également un double accès au réseau et refermant l'anneau de façon logicielle, assurant la supervision dudit réseau, l'ensemble étant associé à des dispositifs matériels assurant l'isolement et la non propagation des défauts, et à des dispositifs logiciels prenant en charge la détection de ces défauts, leur localisation, et les mesures de substitution assurant la pérennité du fonctionnement de l'installation.
2°. Dispositif selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les informations numérisées transmises au réseau par un abonné (Ax) , à son initiative ou en réponse à une requête issue d'un autre abonné, sont émises simultanément sur les deux branches dudit réseau. 3°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et la boucle d'alimentation (2) électrique sont constituées d'un câble unique.
4°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle de transmission (1) véhiculant l'information numérisée et la boucle d'alimentation (2) électrique sont constituées de deux câbles distincts .
5°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les éléments de couplage (3) comportent des transformateurs d'impulsions (4) et des dispositifs électroniques de mise en forme des signaux, de façon à ce qu'un court circuit ou un circuit ouvert sur l'une des branches du réseau ne soient pas répercutés sur l'autre branche.
6°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la centrale (C) est agencée pour interrompre, en fonctionnement normal, le cheminement des deux messages numérisés émis par un abonné (Ax) sur les deux branches du réseau après avoir vérifié qu'ils sont bien la réplique l'un de l'autre et, au contraire, assurer la transmission vers l'autre branche de l'information lorsqu'elle ne reçoit plus qu'un message pour chaque transaction, en provenance d'une seule branche.
7°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que chaque "abonné" (Ax) est pourvu de dispositifs de test permettant de détecter une discontinuité ou une surcharge anormale due, par exemple, à un court-circuit de la boucle d'alimentation (2) électrique, ledit abonné étant en outre équipé de moyens lui permettant de provoquer l'ouverture de réseau d'alimentation entre les deux connexions (6, 7)_ et de répercuter l'information correspondante à la centrale (C) et au-delà, aux services de maintenance.
8°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la centrale "C" est équipée de moyens matériels et logiciels aptes à interrompre la boucle d'alimentation (2) pour isoler électriquement à la demande un abonné (Ax) ou un tronçon défectueux de ladite boucle d'alimentation.
9°. Dispositif selon la revendication 8, se caractérisant par le fait la centrale "C" est pourvue de dispositifs aptes à localiser une défaillance de la boucle d'alimentation (2) en procédant à la remise sous tension sélective des abonnés (Ax) jusqu'à isoler le tronçon en défaut .
10°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la boucle d'alimentation (2) est raccordée à une source d'énergie électrique (E) unique.
11°. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, se caractérisant par le fait que la boucle d'alimentation (2) est constituée d'une chaîne comportant plusieurs sources d'énergie électrique (El, E2,...En) alimentant chacune une grappe d'abonnés" (Al, A2 , ...An) .
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