2. Contexte et problématique
2.1. Instruments intelligents versus instruments traditionnels
Les systèmes classiques comportant des capteurs traditionnels produisent habituellement des signaux électriques de basse complexité directement à partir des dispositifs de transduction. La simplicité de ces systèmes a mené à une acceptation de tels dispositifs dans des applications de protection des systèmes critiques de sécurité (nucléaire par exemple). En général ce sont des dispositifs mécaniques et électriques simples, avec un retour d'expérience suffisant, ils sont reliés avec des circuits bien définis avec une faible interaction. Ceci se prête à une abstraction mathématique facile pour les modèles fiabilistes et pour la détermination des modes de défaillance. Par conséquent la probabilité de défaillance dangereuse peut être calculée et évaluée.
Avec la tendance moderne de traiter les données de tels instruments dans les systèmes informatiques (plus généralement numériques), il y a eu un besoin de convertir les valeurs électriques sous des formes de représentations aptes à être traitée par un logiciel. Ceci exige une complexité de matériel et de logiciel bien au-dessus de celle qui existait dans ce type d’instruments classiques [DOB 98]. Les nouvelles fonctions incorporées dans les instruments intelligents sont fortement complexes et intégrées. Ceci rend l'analyse de sécurité difficile, de même que la nature fortement interactive des interfaces, particulièrement quand un réseau de communication est partagé entre plusieurs dispositifs. Cependant ces fonctions disposent de
moyens d'autotest et d’une possibilité de redondance fonctionnelle qui peuvent assurer une diminution acceptable de probabilité de défaillance [DOB 98] [MAC 04].
Un autre aspect de différence qui existe entre les instruments classiques et les instruments intelligents est le facteur temps. En effet, dans les capteurs conventionnels le temps et la synchronisation ne sont pas pris en compte. Le capteur mesure continuellement les paramètres physiques et présente un signal par l’intermédiaire de la boucle de courant 4-20 mA. Par conséquent, le délai entre la mesure et son envoi est normalement négligeable [MEU 04]. Pour les capteurs intelligents ce n'est pas aussi simple. Le temps s’ajoute aux grandeurs physiques. En effet, si une date est fausse, la mesure peut être considérée comme aberrante par le système d’information [ROB 93], en particulier, la mesure fournie est susceptible d’être postdatée ou antidatée.
Notons que conformément au chapitre 1, il y a une différence entre un capteur analogique (classique, niveau 0) et un capteur numérique (niveau 1). La numérisation du signal a permis l’association d’un processeur a proximité du capteur. L’utilisation de la microinformatique va permettre d'exploiter les caractéristiques temporelles des signaux issus des capteurs (transformée de Fourier rapide). Le capteur numérique dispose d'une certaine capacité de calcul assurée par un circuit programmable du type microcontrôleur ou microprocesseur lui permettant de prendre en compte certaines dérives et grandeurs d'influence. L’élément de calcul est constitué, au minimum, d’un microcontrôleur, d’une EEPROM d’un convertisseur analogique numérique et un dispositif de multiplexage pour acquérir séquentiellement les données. En plus il existe un traitement des signaux discrets réalisé par des algorithmes spécifiques. Il existe cependant un certain retard puisque le microprocesseur qui gère le système fonctionne séquentiellement.
Les instruments classiques diffèrent aussi par rapport aux instruments intelligents dans l’aspect de l’intégrité des informations. [MEU 04] précise que l'intégrité des données n'est pas un grand problème dans les capteurs conventionnels. Des paramètres sont placés à l'aide du matériel (commutateurs à résistances par exemple) et sont donc fortement peu sensibles aux influences externes. Pour les capteurs intelligents ces aspects sont plus complexes. Des paramètres sont placés en utilisant des boutons et des affichages et ils sont stockés dans une mémoire (RAM et/ou EEPROM). Le stockage dans la mémoire est nécessaire si le capteur doit maintenir les paramètres après une panne de courant. Les données dans la mémoire peuvent être corrompues du fait de la sensibilité au rayonnement et à la chaleur, et il est nécessaire de faire une détection et une correction d'erreur.
Les instruments intelligents disposent aussi de circuits fortement intégrés et par conséquent les fabricants sont maintenant capables d’offrir des capteurs avec des sorties numériques compatibles au plan logiciel qui n'ont besoin d'aucun circuit de pré-conditionnement. Ces instruments offrent des fonctionnalités nouvelles telles que l’exactitude, la flexibilité, l’autodiagnostic, la communication, la gestion des activité de l’instrument …[DES 06]. Ces fonctions sont conçues pour améliorer la qualité métrologique de la mesure, de la fiabilité du système par l’amélioration de la fiabilité des informations [TAN 96].
[YUR 06] [MAS 98] citent les avantages de l’intégration comprenant outre la diminution du nombre de composants et la chute des coûts une fiabilité inhérente élevée. [DES 06] rajoute que le concept d’instrument intelligent a été défini dans les années 80 pour aborder le manque de fiabilité et que les instruments intelligents contribuent à l’amélioration de la fiabilité et de la réactivité. Cette réactivité est rendue possible par les moyens de traitement disponibles localement au niveau terrain. En effet, l’intégration des fonctionnalités de surveillance et de diagnostic vont permettre de maîtriser la sûreté de fonctionnement du système par le biais de
détection de défauts par des méthodes de surveillance locale. Aussi, les systèmes à architecture répartie vont présenter de l'intérêt par l’emploi d’un nombre de points de mesure élevé permettant au système une coopération accrue grâce notamment à la communication. Un point de vue tout à fait opposé est exprimé par le tableau suivant des données qui est extrait de [DOB 98]. Il met en évidence l’utilisation de différentes technologies pour des capteurs de pression. Premièrement, l'approche conventionnelle pour un capteur 4-20 mA à l'aide des circuits analogiques a été considérée. Ensuite le même capteur a été considéré où la majeure partie du circuit analogique est remplacée par un simple ASIC analogique. Enfin le capteur "smart " communicant relié par un bus de communication a été considéré. Ce dernier fonctionne en interne numériquement et permet l’amélioration de la fonction de traitement de l’information. L’indicateur de fiabilité considéré ne contient aucune indication relative aux défaillances de logiciel. Pour un système contenant 32 capteurs le taux de défaillances prévu est montré, tenant compte des composants électroniques seulement. Le manque de fiabilité additionnel résultera du logiciel et de tout autre matériel.
Composant Taux de défaillances (par 106 heures)
Taux de défaillance du système comportant 32 capteurs avec un organe d’acquisition de données et
le câblage
Capteur analogique 4-20 mA 2.777 97.9
Capteur avec ASIC 4-20 mA 2.318 82.9
Capteur "smart " communicant
5.543 180
Tableau 3.1 : Données de fiabilité relatives aux différents systèmes suivant la nature des capteurs [DOB 98]
La conclusion simple à tirer de ce tableau est que le système comportant des capteurs numériques connectés à l’aide de réseau de terrain pourrait être moins fiable qu’un système à capteurs classiques. D’après notre classification faite dans le chapitre 1, ce cas d’étude s’apparente aux instruments numériques communicants (niveau 1) qui disposent d’une complexité accrue par rapport aux instruments classiques (niveau 0). A ce niveau d’intelligence (niveau 1), les aspects relatifs à la sûreté de fonctionnement ne peuvent guère être améliorés. Notons aussi que l’approche décrite dans le tableau 3.1 est incomplète du fait qu’une seule partie des causes de défaillances est prise en compte.
Les capteurs conventionnels emploient les boucles 4-20 mA pour la communication. Ces boucles ne peuvent pas être employées à des distances très longues. Les réseaux de communication sont souvent capables d'atteindre d’importantes distances moyennant l’emplacement de répéteurs. Dans ce cas, les répéteurs sont nécessaires, ce qui augmente la quantité d'équipement et la possibilité de défaillance.
En conclusion, et suivant cette disparité dans les avis, ceci nous laisse présager une analyse adéquate sur la vraie contribution de l’intelligence dans les systèmes instrumentés surtout
pour des applications relatives à la sécurité en tenant compte de la classification des niveaux d’intelligence dans les instruments.