2.2.1 Terminologie et définitions
Nous présentons dans cette partie la définition des termes principaux utilisés dans le domaine de la surveillance. Les définitions employées ici ont été proposées initialement par le comité technique SAFEPROCESS de l’IFAC (Internationl Federation of Automatic Control) et utilisées dans (Isermann, 1997).
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Un défaut est une modification inattendue d’une propriété ou d’un paramètre caractéristique du système surveillé par rapport au fonctionnement acceptable ou habituel.
- Défaillance (failure)
Interruption permanente de la capacité d’un système à accomplir sa mission, compte tenu de ses conditions de fonctionnement nominales.
- Détection de défauts (faults detection)
La détection de défauts consiste à mettre en évidence la présence de défauts dans le système et leurs instants d’apparition.
- Localisation de défauts (faults isolation)
Elle consiste à déterminer le type, la localisation et l’instant d’occurrence d'un défaut.
- L’identification (ou estimation) de défauts (faults identification)
Elle vise à caractériser l’amplitude et le comportement temporel des défauts.
La procédure complète est désignée sous les acronymes FDI (Fault Detection and Isolation) ou FDD (Fault Detection and Diagnosis) pour la détection et le diagnostic de défauts (ce dernier incluant l’identification). Ces procédures nécessitent la vérification de la cohérence entre le comportement nominal et celui observé du système. La Figure 2.1 montre le principe général du diagnostic utilisé pour la détection de défauts.
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En cas de défaut, il est indispensable de le compenser par une modification adéquate de la loi de commande du système. C’est pourquoi la commande tolérante aux défauts FTC (Fault Tolerant Control) a été introduite. Le lecteur peut se référer aux références (Zolghadri et al., 2014; Zhang et Jiang, 2008) pour plus de détails. La commande tolérante aux défauts est un domaine de recherche à part entière, qui ne sera pas abordé dans ce manuscrit.
2.2.2 Types de défauts
Les défauts peuvent affecter un système de différentes manières. Trois principaux types de défauts sont distingués en fonction de l’élément du système qu’ils affectent.
- Défauts de capteurs
Un défaut capteur se traduit généralement par une variation anormale entre la mesure et sa valeur réelle, telle qu’un biais, une saturation, un défaut de calibrage, un bruit ou une dérive.
- Défauts d’actionneurs
Un défaut d’actionneur représente un dysfonctionnement de la partie opérative qui agit sur le système, par exemple le blocage d’une vanne.
- Défauts systèmes
Les défauts systèmes se caractérisent par des changements dans les paramètres internes du système qui entraînent une modification de sa dynamique dues à l’altération ou à la casse d’un ou de plusieurs composant(s), comme la détérioration d’un plateau de la colonne à distiller.
L’évolution temporelle des défauts est imprévisible : ils peuvent être de faible ou de forte amplitude, brusques ou graduels sous forme de dérives. On distingue dans la littérature les défauts suivants :
défaut brusque (ou modélisé par un biais); défaut naissant (ou dérive);
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La Figure 2.2 représente l’évolution dans le temps des différents défauts.
Figure 2.2- Évolution temporelle des différents types de défauts
2.2.3 Procédure de diagnostic
Le diagnostic de défauts nécessite un certain nombre d’étapes à suivre afin de fournir un ensemble de décisions booléennes sur la présence de défauts, comme illustré sur la Figure 2.3.
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La disposition d’informations sur le fonctionnement réel du système à surveiller est indispensable pour le diagnostic. La phase d’acquisition de données permet de recueillir ces informations et sa validation est ainsi assurée lors de cette étape. Pour réaliser cette tâche, il est nécessaire de disposer de capteurs qui permettent de mesurer les variables du processus. L’instrumentation du système à surveiller n’entraîne pas obligatoirement un coût supplémentaire dans la mesure où celle-ci est indispensable pour réaliser la supervision de processus.
L’étape d’élaboration des indicateurs de défauts couramment dénommés résidus utilise une représentation du système considéré. Elle consiste à utiliser les mesures des sorties provenant des capteurs pour prédire le comportement et le comparer au fonctionnement réel du système. L’objectif est de construire un ensemble d’indicateurs permettant de mettre en évidence les éventuels défauts pouvant affecter le procédé. L’étape d’élaboration d’indicateurs de défauts consiste finalement, quelle que soit l’approche utilisée, à comparer le comportement réel du système à un comportement de référence. Dans le cas idéal, cet écart est nul en l’absence de défaut et différent de zéro dans le cas contraire.
L’étape de détection consiste, quant à elle, à choisir entre deux hypothèses, la première correspond au fonctionnement sain, la deuxième correspond au fonctionnement en présence de défauts. Cette étape se base le plus souvent sur des tests statistiques. Le seuil est donc simplement défini par des lois de probabilité.
Une fois une anomalie est détectée, c'est-à-dire les résidus sont statistiquement non nuls, il est nécessaire de déterminer le ou les éléments défaillant(s). Toutefois, Il faut prendre en considération la possibilité d’avoir plusieurs défauts en même temps ce qui rend cette étape de localisation difficile.
Après la détection et la localisation d’un dysfonctionnement du système, il est important d’entreprendre des actions afin de conserver les performances souhaitées du système sous surveillance. En l’absence de module FTC cette étape de prise de décision est assurée par des opérateurs humains. Les actions correctrices à effectuer peuvent être : un changement de point de consigne afin de compenser l’effet d’un
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défaut, l’adaptation paramétrique de la loi de commande dans le but de conserver les performances de l’installation, une procédure normale d’arrêt ou encore un arrêt d’urgence en cas de détection d’une anomalie sévère mettant en danger les personnes ou le matériel.