La nécessité d'augmenter la productivité a toujours stimulé la recherche de solutions innovantes pour la régulation des mouvements des pièces mobiles des machines industrielles. En agissant sur des grandeurs physiques telles que le couple, la vitesse et la position, il est possible de réaliser automatiquement des processus industriels prédéterminés. Ce type d'approche, introduit au milieu des années soixante du XXe siècle. en utilisant les techniques analogiques alors disponibles, il s'est progressivement amélioré avec le développement de l'électronique numérique et des technologies de l'information. Les machines ainsi réglables sont désormais de types divers et présentent des problèmes très différents. Pensons par exemple aux machines à imprimer, aux laminoirs, aux machines-outils, aux robots, etc. Le premier exemple de commande numérique (dite point à point) effectue en séquence, à travers les actionneurs, les opérations de positionnement de la pièce à usiner, à travers des commandes gérées par un programme prédéfini, écrit sur un ruban de papier perforé. Par la suite, une version plus sophistiquée de la commande numérique appelée profil continu a été développée. Dans ce cas, la commande numérique commande en continu, instant par instant et pendant l'usinage, la loi de variation de chaque mouvement d'avance, assurant la réalisation d'une trajectoire spécifique de la pièce ou de l'outil. La programmation, plus complexe que la programmation point à point, se limite à définir les coordonnées principales du profil et l'équipement doit contenir une unité de calcul appelée interpolateur. En effet, la trajectoire doit être approchée en joignant par des lignes (droites ou circulaires) les points dont les coordonnées sont codées dans les grandeurs de référence présentes dans le programme. Les signaux de sortie de l'interpolateur fournissent à l'actionneur des coordonnées variables en continu.
Les techniques de commande
Les techniques de commande numérique ont d'abord évolué sur la base de nouveaux composants électroniques - à la fois signal (des transistors simples aux circuits intégrés) et de puissance (transistors IGBT et thyristors GTO) -, puis utilisant des processeurs dédiés comme unités de contrôle. De cette manière, toutes les instructions stockées pour l'exécution des fonctions de commande numérique ont été gérées. L'innovation due à l'électronique s'est alors considérablement ralentie: l'évolution ultérieure (pratiquement toujours en cours) est en fait liée au logiciel et à la recherche de flexibilité, comme en témoigne la création de systèmes ouverts, des systèmes qui permettent à différentes applications de fonctionner sur de multiples plateformes. de différents fournisseurs et de coopérer avec d'autres systèmes et applications. Actuellement, en fait, le développement dominant de la discipline de l'automatisation concerne la communication et le besoin s'est fait sentir d'avoir un type de communication entre les différents périphériques présents au sein du système complexe capable de répondre aux différents besoins liés à la réduction du câblage et une plus grande flexibilité dans l'installation de nouveaux dispositifs ou dans leur interchangeabilité. Des développements considérables dans la gestion des réseaux de communication ont été rendus possibles par la diffusion des processeurs de type DSP et des composants FPGA.
- ORGANISATION DU PROCESSUS INDUSTRIEL
Dans le domaine de l'automatisation industrielle, l'organisation de l'entreprise peut être décrite selon un modèle pyramidal ( fig. 2 ) qui constitue la structure de référence de la fabrication intégrée par ordinateur (CIM). Au sommet de la pyramide se trouve la direction de l'entreprise tandis qu'à sa base les machines et les appareils de production; dans les positions intermédiaires se trouvent les différents niveaux de planification, la définition des cellules de travail et le contrôle de processus. L' entraînement , typiquement électrique, qui forme la base de la technologie d'automatisation, est situé au niveau inférieur, appelé niveau terrain, connecté à la partie immédiatement supérieure constituée des unités de contrôle de processus, à partir de laquelle il reçoit les signaux de commande et de contrôle. référence et auquel il envoie les signaux de mesure et de signalisation. Lorsque le variateur fait partie d'un processus industriel, il ne représente qu'un des composants d'un système qui comprend d'autres dispositifs et variateurs nécessitant une coordination des opérations. Dans ce cas, l'échange d'informations devient crucial et il est essentiel de définir les caractéristiques des données à échanger et les modalités de leur traitement, non seulement pour permettre au processus de fonctionner correctement, mais aussi pour assurer le respect de tout règles et assurer la compatibilité, en prévision de futures extensions également avec des équipements de différents fabricants. Dans les processus d'automatisation, les systèmes d'entraînement effectuent donc différentes tâches avec différents niveaux de performance et de coordination en fonction des différentes applications, résumées ci-dessous.
Entraînements contrôlés par des contrôleurs de mouvement
Il s'agit de servo variateurs mono-axes ou multi-axes, équipés de cartes configurables et programmables, visant à réaliser une séquence prédéterminée de mouvements dans un cycle de travail donné. Les fonctions typiques sont toutes les applications générales dans lesquelles un mouvement coordonné entre les arbres doit être garanti. Pour ces variateurs, aucune précision en termes de vitesse n'est requise comme dans les machines-outils ou les robots industriels.
L'automatisation de l'industrie se poursuit
Ce sont des lignes de production continues et de grande taille (laminoirs, papeteries, lignes de fixation textile), dans lesquelles de nombreux moteurs et entraînements se combinent pour déterminer un flux régulier et continu du produit. Pour cela, des moteurs de tailles différentes sont utilisés en fonction de l'application et du matériau traité (par exemple, bandes transporteuses, enrouleurs et dérouleurs, rouleaux de compression, mélangeurs) et le système de commande doit assurer le synchronisme des différents actionneurs par rapport à la vitesse de référence. de la ligne. Les entraînements simples sont généralement contrôlés en vitesse et / ou en couple. La précision de la réglementation est liée à la qualité du produit demandé.
Lignes de production discrètes
Ce sont des machines pour la production régulière et continue d'objets qui nécessitent un niveau élevé de manutention (machines d'emballage, machines d'emballage, machines pour l'industrie alimentaire) ou des systèmes de moyenne à petite puissance, avec un petit nombre d'actionneurs. Ils nécessitent une flexibilité et une coordination élevées des actionneurs, un synchronisme de vitesse et de phase, qui peut être obtenu au moyen de systèmes d'engrenages ou d'arbres et de cames électriques. La vitesse de production et sa qualité sont des éléments critiques, ainsi que la flexibilité de traitement, c'est-à-dire la possibilité de modifier de manière simple les paramètres et la coordination des actionneurs pour faire face aux variations même fréquentes de la production. Le niveau de coordination requis est élevé et nécessite un potentiel de traitement considérable.
Des machines-outils
Le déplacement des axes se caractérise par des besoins croissants en termes de vitesse de déplacement et de précision de positionnement (également liés à une utilisation correcte des capteurs et à la meilleure exploitation des machines également en termes de dimensionnement en fonction des cycles de travail). Pour la qualité d'usinage, les broches à grande vitesse sont préférées dans l'usinage avec enlèvement de copeaux, tandis que l'exigence générale d'augmentation de la vitesse de production nécessite une coordination étroite des mouvements d'axe et de broche et des dispositifs de changement d'outil. Par rapport au cas précédent, des capacités de traitement supplémentaires sont nécessaires pour déterminer les trajectoires au moyen de systèmes d'interpolation.
Robots industriels
Les considérations faites pour la machine-outil sont valables en ce qui concerne les exigences de vitesse et les problèmes de définition des trajectoires, ici encore compliqués par la possibilité d'un plus grand nombre de degrés de liberté et par la nécessité de compenser la variation de la charge et de l'inertie. Dans ce cas, un ou plusieurs des composants décrits dans les trois derniers points (c'est-à-dire relatifs à l'industrie dite discrète) sont utilisés pour effectuer un traitement complet qui comprend, en plus des machines de traitement individuelles, également d'autres éléments pour transport, positionnement et déchargement des pièces traitées. Le nombre d'actionneurs augmente en conséquence, et en plus des éléments de coordination déjà prévus pour les machines individuelles, un niveau de supervision est ajouté.
- LE MOTEUR DU PROCESSUS INDUSTRIEL
L'entraînement électrique destiné aux applications industrielles remplit la fonction de vitesse et de couple avec une structure et une gestion appropriées des signaux. En termes de matériel, il se compose d'un module de puissance, qui comprend, en plus du moteur, le convertisseur statique, des capteurs et un tableau de commande qui implémente à la fois les fonctions de régulation (parfois sous forme analogique, plus souvent en numérique) et les fonctions d'interface utilisateur, de signalisation, de protection et de diagnostic. Les actionneurs sont des moteurs à courant alternatif asynchrones ou synchrones avec un aimant permanent sur la structure du rotor, alimentés par des convertisseurs de puissance basés sur des dispositifs statiques à semi-conducteurs. Ces composants appartiennent à la famille des thyristors en ce qui concerne la bande de puissance la plus élevée (6000 volts 4000 A pour les GTO), sinon à celle des transistors (3000 volts 1200 A pour les IGBT); ils n’ont pas connu récemment des développements similaires à ceux qui se sont produits au cours des dernières années du XXe siècle. cependant, beaucoup a été accompli dans le domaine de leur intégration. En fait, il existe aujourd'hui des modules avec des diodes antiparallèles, avec des circuits d'allumage et avec des capteurs de fonctionnement. Pour leur modulation, on utilise la technique PWM (Pulse width modulation) qui présente des avantages indéniables par rapport à l'onde carrée utilisée précédemment, notamment en ce qui concerne l'ordre des harmoniques présentes dans la tension de sortie du convertisseur. Cependant, pour mieux exploiter la tension aux bornes de l'onduleur, la technique SVM (Space vector modulation) est de plus en plus utilisée, qui exploite la notamment en ce qui concerne l'ordre des harmoniques présentes dans la tension de sortie du convertisseur. Cependant, pour mieux exploiter la tension aux bornes de l'onduleur, la technique SVM (Space vector modulation) est de plus en plus utilisée, qui exploite la notamment en ce qui concerne l'ordre des harmoniques présentes dans la tension de sortie du convertisseur. Cependant, pour mieux exploiter la tension aux bornes de l'onduleur, la technique SVM (Space vector modulation) est de plus en plus utilisée, qui exploite laParc transformé . Quant aux capteurs, des systèmes majoritairement optiques ou ultrasoniques sont utilisés pour obtenir des informations sans contact, avec la possibilité d'utiliser directement le signal numérique et de le transmettre sur fibre optique, réduisant ainsi les éventuels dysfonctionnements dus à la présence de champs électromagnétiques. Leur développement actuel repose principalement sur la modularité: cela permet de les modifier facilement, à la fois en séparant la partie dédiée à la détection de celle relative à l'amplificateur (qui s'occupe d'analyser la quantité détectée), et en simplifiant au maximum la structure. . les rendre facilement modifiables. Les signaux d'entrée ou de commande (références ou points de consignevitesse, couple ou courant) du variateur sont strictement liés au type d'application et pour une utilisation générale, ils peuvent être fournis sous forme analogique ou numérique. Dans ce dernier cas, ils peuvent avoir une forme numérique ou apparaître comme une séquence d'impulsions (dans ce cas, un circuit supplémentaire est nécessaire pour le comptage). Le schéma de commande d'un variateur dans le cas plus général où la régulation du couple, de la vitesse et de la position est présente est représenté sur la fig. 3 , dans laquelle les trois bagues de réglage relatives aux grandeurs précitées peuvent être observées. Chacun de ces anneaux ou boucles est ajusté et activé en fonction du besoin et du type de grandeur de référence. La même figure montre les régulateurs, qui peuvent être à la fois analogiques et numériques. Leur structure est typiquement la PID (proportionnelle-intégrale-dérivée) avec un gain configurable, avec un terme de compensation et avec la possibilité de techniques d'auto-étalonnage. La régulation de la position de l'axe moteur n'est pas prévue dans les versions standard de nombreux variateurs, étant une exigence des applications qui ont des niveaux sophistiqués de coordination et d'interface externe. Cependant, cette option est souvent présente pour satisfaire les besoins de positionnement les plus simples, c'est-à-dire pour permettre l'insertion de l'entraînement unique dans un système de mouvement multi-axes. La fonction de réglage de la position, identifiable dans l'anneau le plus à l'extérieur de la fig. 3, il est généralement logé sur une carte d'extension et implique par conséquent la préparation et la modification du matériel. De cette manière, une boucle supplémentaire est introduite et une interface conséquente entre la sortie de la boucle de position et la référence de vitesse. Les différents anneaux doivent avoir des caractéristiques liées entre eux: en effet, la boucle la plus interne doit être plus rapide (moins de temps de réponse) que la plus externe, tandis que la bande passante doit diminuer en passant de la boucle la plus interne à la boucle la plus externe. Ce qui précède permet d'affirmer qu'un système à plusieurs anneaux est plus lent que celui à un seul anneau et donc, pour un entraînement de position, il est plus difficile de respecter les spécifications du projet. Dans la même fig. 3 indique en plus du variateur également l'unité de contrôle, c'est-à-dire le dispositif de supervision et de coordination à un niveau supérieur auquel se réfère le variateur: il peut s'agir d'un contrôleur numérique (CNC, commande numérique par ordinateur), d'un contrôleur à logique programmable (PLC, Contrôleur logique programmable) ou un processeur industriel. L'évolution des années 90 à aujourd'hui dans le domaine des variateurs pour l'automatisation industrielle n'a pas tant affecté les machines électriques ou l' électronique de puissance que le développement et l'utilisation de nouveaux microprocesseurs tels que les DSP.(Processeurs de signaux numériques). Celles-ci en effet, alliant faible coût et hautes performances, ont permis le développement des communications entre les différents périphériques, l'utilisation de plus en plus répandue des techniques de régulation vectorielle pour contrôler les variateurs et la transformation des techniques analogiques en techniques numériques pour l'échange d'informations entre les différentes parties du lecteur lui-même. Cela signifiait que le cahier des charges du projet visait l'élaboration de contrôles pouvant être développés sous forme numérique, pour un besoin d'intégration entre le dispositif de régulation et les dispositifs qui président à la fonction de contrôle, de surveillance, de diagnostic, etc. En réponse à tous ces besoins, un contrôle direct du couple a été développé et appliqué) qui permet d'atteindre des résultats comparables à ceux de la technique vectorielle, découplant le contrôle du flux d'excitation du moteur électrique du contrôle du couple, mais en moins de temps et avec moins de dépense d'énergie: les résultats sont beaucoup plus proches de ceux relatifs à le contrôle vectoriel (qui en théorie devrait être obtenu par voie analogique), plus les microprocesseurs ont des vitesses élevées et des temps d'horloge réduits. Quant au développement lié au type de communication entre les différents périphériques, cette phase n'est pas encore standardisée et la répartition des tâches entre les différents processeurs, qui font partie d'un système à plusieurs variateurs, varie d'un cas à l'autre. Jusqu'à il y a quelques années, les systèmes d'automatisation industrielle étaient présentés d'une manière complètement différente de ce qu'ils sont aujourd'hui. En fait, il y avait une seule unité centrale ( maître ), et les différentes unités périphériques en dérivaient. L'unité centrale avait donc la double tâche d'effectuer toutes les opérations nécessaires à la commande de l'ensemble du système et, en même temps, de répartir les tâches individuellement entre les différentes unités périphériques.cela devait se concrétiser. Actuellement, la communication qui concerne plus spécifiquement les variateurs se fait au niveau terrain et comprend l'échange d'informations entre l'unité de contrôle (PLC, CNC, DSP), les variateurs, l'interface avec l'opérateur et les transducteurs, dans le but de coordonner et mettre en œuvre les différentes réglementations envisagées. Le taux de change doit être relativement élevé et dans de nombreux cas assurer le synchronisme des opérations pour obtenir le timing correct des algorithmes de régulation. C'est précisément dans ce contexte que se fait sentir le besoin d'obtenir un type de communication obéissant à divers objectifs, dont une réduction du câblage, une plus grande flexibilité dans l'installation de nouveaux appareils ou une interchangeabilité entre ceux existants et une plus grande rapidité de traitement des communications elles-mêmes. En plus de ces finalités, la naissance récente et le développement ultérieur des microprocesseurs ont également permis de décentraliser le contrôle (abandonnant ainsi la nécessité de la présence d'une seule unité maître) et, en donnant une plus grande autonomie aux appareils connectés au complexe. système, il leur a permis de pouvoir effectuer de nombreuses opérations de contrôle qui étaient auparavant effectuées par l'unité centrale. Comme vous pouvez facilement le deviner, en fonction des besoins de communication, il est possible d'avoir différents types de réseaux. Dans la gestion d'entreprises, par exemple, ou d'installations industrielles, il est nécessaire de transférer de grandes quantités d'informations mais à basse fréquence (de l'ordre de mégaoctets par heure). Au lieu de cela, plus vous vous rapprochez de la production réelle, moins il y a d'informations à transférer, mais la fréquence à laquelle ces informations doivent être transférées augmente considérablement (même de quelques bits toutes les microsecondes). Ces réseaux sont appelés réseaux de bus de terrain et permettent généralement la communication entre les capteurs / actionneurs et les dispositifs de commande. Le nombre de nœuds impliqués étant considérablement élevé, le besoin d'une communication plus accessible, allégée et rapide devient une priorité.
- SYSTÈME DE COMMUNICATION
Le système de communication est caractérisé en fonction des moyens physiques de transmission des signaux (par exemple paire téléphonique, câble coaxial, fibre optique) et du mode de transmission (en logique filaire ou en logique numérique). Le choix du support physique détermine la bande passante (la vitesse maximale de transmission de données autorisée, mesurée en Hz ou plus souvent en bit / s), l'immunité aux perturbations, la longueur maximale autorisée sans besoin de répéteurs, le coût, la durabilité et la fiabilité . Quant au mode de transmission, s'il est en logique filaire, il existe une liaison analogique directe entre la centrale et le composant (variateur, capteur, appareil) qui doit recevoir ou envoyer le signal, à l'aide de signaux de tension ou de courant. C'est une question, pour chaque lecteur, L'autre moyen de communication est d'utiliser le format numérique dans lequel les informations sont codées par groupes d'octets (unité de base constituée de 8 bits qui, dans le cas de processeurs 16 ou 32 bits, doivent être remplacés par le terme mot), transmis sur un support physique. Chaque échange d'informations a donc lieu dans un format 8 bits, nécessaire pour transférer un caractère ASCII (7 bits pour le caractère alphanumérique et 1 bit de contrôle). Le codage des données spécifie la manière dont les signaux logiques binaires 0 et 1 sont représentés à travers les niveaux de tension, de manière à être transmis sur la ligne de communication: codage à niveau simple, codage NRZ ( non-return-to-zero ), ou autre plus coûteux encodages mais avec une plus grande fiabilité. Le mode de transmission (protocole) peut être séquentiel ou parallèle. Dans le premier cas, l'octet d'origine, à transmettre le long de la ligne série, doit être traité de manière à ce que chaque bit qui le compose soit soigneusement agencé dans une séquence, à laquelle les bits de contrôle seront ajoutés dans le bon ordre. A l'autre bout de la ligne, les bits arrivant en série doivent à leur tour être décodés, pour identifier les significatifs et les disposer dans le bon ordre, afin de reconstruire les données d'origine. Ces opérations sont effectuées par des ports série, c'est-à-dire des dispositifs montés sur des cartes spéciales présentes à la fois sur l'unité qui envoie les données et sur celle qui les reçoit. Le protocole le plus utilisé est appelé RS-232 ou sa version la plus mise à jour et la plus puissante, le RS-422. Bien que ces protocoles permettent l'utilisation d'un grand nombre de signaux, pour les applications à l'examen des versions réduites sont utilisées avec seulement 3 lignes de connexion comprenant au moins le signal d'émission, le signal de réception et la masse. C'est donc une communication bidirectionnelle qui s'effectue via un câble blindé. L'interface RS-232, fournie avec la plupart des instruments et appareils électroniques utilisés dans le secteur, atteint une vitesse de transmission de 19,2 kbit / s et est de préférence utilisée pour les communications point à point. La distance maximale autorisée est de 15 m, même si théoriquement, dans des conditions particulières, de meilleures performances peuvent être obtenues. Le signal de tension est transmis sur une seule ligne et renvoyé à une masse commune. il diffère du précédent en ce que la transmission se fait de manière différentielle sur deux lignes, et permet des performances plus élevées (jusqu'à 10 Mbit / s et des distances jusqu'à 1200 m) car il y a une plus grande immunité aux perturbations de mode commun; ce protocole peut être utilisé pour les liaisons série d'un émetteur vers plusieurs récepteurs. Dans le cas d'une transmission parallèle, les bits composant le mot élémentaire (de 8 à 32) sont transmis simultanément sur un nombre correspondant de conducteurs, rassemblés dans un câble souple, appelé bus système, qui permet ainsi la multiplication de la vitesse équivalente de transmission par rapport à la communication série. Compte tenu de la nécessité de maintenir le parallélisme des données, pour éviter un déphasage dans la réception des bits d'un même mot, ce type de transmission est réservé à l'échange de données au sein d'appareils individuels et à des distances limitées à quelques dizaines de centimètres. En ce qui concerne l'architecture du système, une distinction supplémentaire doit être faite entre les connexions point à point et multipoint. Dans le premier cas, il existe une connexion spécifique entre chaque variateur et l'unité de contrôle, via un câble spécifique, couplé aux deux composants via un port série. Comme il s'agit de communications point à point, autant de ports série doivent être prévus sur la centrale que de variateurs contrôlés: cela limite cependant, d'un point de vue mécanique et électrique, le nombre maximum de connexions. Dans les connexions multipoints, en revanche, l'unité de contrôle et les différents variateurs ou appareils sont connectés à un seul câble de communication série, qui constituent ensemble un réseau local (LAN, Local area network), dont les bus de terrain représentent une application typique pour automatisation des processus. Différentes manières de contrôler et de gérer le réseau sont possibles, selon qu'il est concentré dans l'unité de contrôle ou réparti entre les différents appareils. Dans tous les cas, l'appareil qui accède au réseau doit être équipé d'une interface spéciale et de la capacité de reconnaître et de gérer les signaux qui l'intéressent. Les réseaux locaux utilisés comme bus de terrain sont caractérisés par le support de transmission utilisé, la topologie et la structure du protocole. En ce qui concerne la topologie, cela peut être un arbre, une étoile ou un anneau. En ce qui concerne, au contraire, la structure du protocole et donc le mode d'accès au réseau et la priorité des équipements, il existe différents modes: ( a ) Maître / Esclave : le contrôle du réseau est centralisé et concentré dans le maître unité à laquelle il donne accès aux différents dispositifs esclaves pour envoyer ou demander des signaux, en envoyant également les signaux à la bonne destination. L'accès au réseau est donné aux nœuds selon des priorités et des horaires établis par une liste d'interrogation préétablie; ( b ) Producteur / Distributeur / Consommateur : l'échange de données se fait par l'intermédiaire d'un distributeur; ( c ) Bus à jetons : le token (token) est une séquence de bits reconnaissable qui ne donne le droit d'accès au réseau qu'au nœud qui en est en possession à un moment donné. Chaque nœud activé, à la fin de son fonctionnement, délivre le jeton à une station suivante, selon un schéma fixe préalablement défini par le gestionnaire de réseau.
