Ce que les OEM et les ingénieurs concepteurs doivent savoir sur les moteurs, les variateurs et les contrôleurs.

Que les concepteurs améliorent une machine centrée sur le mouvement ou en construisent une nouvelle, il est essentiel qu'ils commencent par penser au contrôle du mouvement. Ils peuvent ensuite élaborer la conception en fonction de la meilleure méthode pour obtenir une automatisation efficace et efficiente.

Les machines à mouvement doivent être conçues et construites autour de leurs fonctions principales. Par exemple, pour une machine d'impression utilisant un ensemble spécifique d'applications de bobinage, les concepteurs se concentreront sur les pièces critiques et développeront le reste de la machine en fonction des fonctions principales.

Cela ressemble à un cours d'ingénierie de conception basique, mais avec les contraintes de délai de mise sur le marché et les équipes traditionnellement cloisonnées en départements mécanique, électrique et logiciel, il est facile de revenir à un processus de conception largement linéaire. Concevoir en tenant compte du contrôle de mouvement nécessite cependant une approche mécatronique qui comprend le développement des concepts initiaux, la détermination de la topologie du système et de l'approche machine, ainsi que le choix de l'interface de connexion et de l'architecture logicielle.

Voici quelques aspects essentiels des moteurs, des variateurs, des contrôleurs et des logiciels que les ingénieurs doivent prendre en compte dès le début de chaque projet de conception de machine pour réduire les inefficacités, les erreurs et les coûts tout en permettant aux OEM de résoudre les problèmes des clients en moins de temps.

【Le processus de conception】

Les ingénieurs consacrent généralement la majeure partie de leurs efforts à la façon et à l'emplacement des pièces, notamment lors du développement de machines innovantes. Bien que les conceptions innovantes soient de loin les plus chronophages, elles offrent souvent le meilleur retour sur investissement, surtout si les équipes exploitent les dernières avancées en matière d'ingénierie virtuelle et de conception modulaire.

La première étape du développement d'une machine de A à Z consiste à se demander : quelles sont ses fonctions critiques ? Il peut s'agir de concevoir une machine facile à nettoyer, nécessitant peu d'entretien ou d'une grande précision. Identifiez la technologie qui assurera la fonctionnalité, la performance ou le niveau d'entretien requis.

Plus le problème à résoudre est complexe, plus il sera difficile de déterminer les fonctions les plus vitales. Envisagez de collaborer avec un fournisseur d'automatisation centrée sur le mouvement qui pourra vous aider à définir les détails critiques et à déterminer la bonne approche.

Demandez-vous ensuite : quelles sont les fonctions standard de la machine ? Pour reprendre l'exemple précédent de la machine à imprimer, les commandes de tension et de capteur utilisées pour dérouler le matériau à imprimer sont assez standard. En fait, environ 80 % des tâches d'une nouvelle machine sont des variantes de celles des machines précédentes.

L'utilisation d'un matériel modulaire et d'une programmation par code pour gérer les exigences d'ingénierie des fonctions standard réduit considérablement les ressources de conception nécessaires à la réalisation du projet. L'utilisation de fonctions éprouvées améliore la fiabilité et vous permet de vous concentrer sur les aspects plus complexes de la conception.

Travailler avec un partenaire de contrôle de mouvement capable de fournir des fonctions standard avec du matériel et des logiciels modulaires signifie que vous pouvez vous concentrer sur les fonctionnalités à valeur ajoutée qui distinguent votre produit de celui de la concurrence.

Dans un projet de conception classique, les ingénieurs mécaniciens construisent la structure de la machine et ses composants mécaniques ; les ingénieurs électriciens ajoutent l'électronique, notamment les entraînements, les câbles et les commandes ; puis les ingénieurs logiciels écrivent le code. Chaque erreur ou problème rencontré oblige l'équipe projet à revenir en arrière et à le corriger. Le processus de conception consacre énormément de temps et d'énergie à refaire la conception en fonction des modifications ou des erreurs. Heureusement, la conception mécanique avec des logiciels de CAO et la planification et la conception cloisonnées appartiennent presque au passé.

Aujourd'hui, l'ingénierie virtuelle permet aux équipes de concevoir le fonctionnement des machines en utilisant plusieurs processus parallèles, réduisant ainsi considérablement le cycle de développement et les délais de mise sur le marché. En créant un jumeau numérique (une représentation virtuelle de la machine), chaque service peut travailler seul et développer des composants et des commandes simultanément avec le reste de l'équipe.

Un jumeau numérique permet aux ingénieurs de tester rapidement différentes conceptions de machine ainsi que vos technologies. Par exemple, un processus peut nécessiter l'alimentation d'une machine jusqu'à ce que la quantité souhaitée soit collectée, puis la découpe. Il faut alors trouver un moyen d'interrompre l'alimentation dès que la découpe est nécessaire. Plusieurs solutions existent pour relever ce défi, et chacune peut affecter le fonctionnement global de la machine. Un jumeau numérique permet d'essayer différentes solutions ou de déplacer des composants pour évaluer leur impact sur les opérations, ce qui permet un prototypage plus efficace (et moins intensif).

L'ingénierie virtuelle permet aux équipes de conception de voir comment l'ensemble de la machine et ses concepts qui se chevauchent fonctionnent ensemble pour atteindre un ou plusieurs objectifs particuliers.

【Sélection de la topologie】

Des conceptions complexes avec plusieurs fonctions, plusieurs axes de mouvement et des mouvements multidimensionnels, ainsi qu'une production et un débit plus rapides, complexifient tout autant la topologie du système. Le choix entre une automatisation centralisée par contrôleur et une automatisation décentralisée par variateur dépend de la machine conçue. Le fonctionnement de la machine, ses fonctions globales et locales, influence le choix d'une topologie centralisée ou décentralisée. L'espace disponible dans l'armoire, la taille de la machine, les conditions ambiantes et même le temps d'installation influencent également ce choix.

Automatisation centralisée. La meilleure façon d'obtenir un contrôle de mouvement coordonné pour les machines complexes est d'utiliser une automatisation basée sur un contrôleur. Les commandes de contrôle de mouvement sont généralement transmises à des servo-variateurs spécifiques via un bus temps réel standardisé tel qu'EtherCAT, et les variateurs pilotent tous les moteurs.

L'automatisation par contrôleur permet de coordonner plusieurs axes de mouvement pour réaliser une tâche complexe. Cette topologie est idéale si le mouvement est au cœur de la machine et que toutes les pièces doivent être synchronisées. Par exemple, s'il est essentiel que chaque axe de mouvement soit positionné à un endroit précis pour positionner correctement un bras de robot, vous choisirez probablement l'automatisation par contrôleur.

Automatisation décentralisée. Grâce à des machines et des modules plus compacts, le contrôle de mouvement décentralisé réduit, voire élimine, la charge sur les commandes des machines. À la place, des variateurs de fréquence plus petits assument les responsabilités de contrôle décentralisé, un système d'E/S évalue les signaux de commande et un bus de communication tel qu'EtherCAT forme un réseau de bout en bout.

L'automatisation décentralisée est idéale lorsqu'une partie de la machine peut se charger d'une tâche sans avoir à la signaler constamment au système central. Chaque partie de la machine s'exécute rapidement et indépendamment, ne signalant qu'une fois sa tâche terminée. Dans ce cas, chaque appareil gérant sa propre charge, la machine globale bénéficie d'une puissance de traitement plus distribuée.

Contrôle centralisé et décentralisé. Bien que l'automatisation centralisée assure la coordination et que la décentralisation offre une puissance de traitement distribuée plus efficace, une combinaison des deux s'avère parfois la meilleure option. La décision finale dépend des exigences globales, notamment des objectifs liés au rapport coût/valeur, au débit, à l'efficacité, à la fiabilité dans le temps et aux spécifications de sécurité.

Plus le projet est complexe, plus il est important de s'appuyer sur un partenaire en ingénierie de contrôle de mouvement capable de vous conseiller sur les différents aspects. Lorsque le constructeur de machines apporte la vision et le partenaire en automatisation les outils, c'est là que l'on obtient la meilleure solution.

【Mise en réseau des machines】

Établir une interconnectivité propre et pérenne est également une étape clé de la conception axée sur le contrôle de mouvement. Le protocole de communication est tout aussi essentiel que l'emplacement des moteurs et des variateurs, car il ne s'agit pas seulement de la fonction des composants, mais aussi de la manière dont ils sont connectés.

Une bonne conception réduit le nombre de fils et leur distance. Par exemple, un ensemble de 10 à 15 fils reliant un terminal distant peut être remplacé par un câble Ethernet utilisant un protocole de communication industriel tel qu'EtherCAT. Ethernet n'est pas la seule option, mais quel que soit celui que vous utilisez, assurez-vous de disposer des outils ou bus de communication appropriés afin d'utiliser des protocoles courants. Choisir un bus de communication performant et planifier l'agencement de l'ensemble simplifie grandement les futures extensions.

Dès le départ, privilégiez une conception soignée de l'armoire. Par exemple, évitez de placer les blocs d'alimentation à proximité de composants électroniques susceptibles d'être affectés par des interférences magnétiques. Les composants à courant ou fréquence élevés peuvent générer du bruit électrique dans les câbles. Pour un fonctionnement optimal, éloignez donc les composants haute tension des composants basse tension. Vérifiez également si votre réseau est sécurisé. Dans le cas contraire, vous aurez probablement besoin de connexions de sécurité redondantes câblées. Ainsi, en cas de défaillance d'un composant, celui-ci détectera sa propre défaillance et réagira.

Avec l'essor de l'Internet industriel des objets (IIoT), pensez à ajouter des fonctionnalités avancées que vous ou vos clients n'êtes peut-être pas encore prêts à utiliser. L'intégration de ces fonctionnalités à la machine facilitera sa mise à niveau ultérieure.

【Logiciel】

Selon les estimations du secteur, les équipementiers devront bientôt consacrer 50 à 60 % de leur temps de développement machine aux exigences logicielles. Passer d'une focalisation sur la mécanique à une focalisation sur l'interface désavantage les petits constructeurs de machines sur le plan concurrentiel, mais peut aussi uniformiser les conditions de concurrence pour les entreprises désireuses d'adopter des logiciels modulaires et des protocoles standardisés et ouverts.

L'organisation des logiciels peut étendre ou limiter les capacités actuelles et futures d'une machine. À l'instar du matériel modulaire, les logiciels modulaires améliorent la rapidité et l'efficacité de la construction de machines.

Par exemple, imaginons que vous conceviez une machine et souhaitiez ajouter une étape supplémentaire entre deux phases. Si vous utilisez un logiciel modulaire, vous pouvez simplement ajouter un composant sans reprogrammation ni recodage. Et si vous avez six sections faisant toutes la même chose, vous pouvez écrire le code une seule fois et l'utiliser dans les six sections.

Non seulement la conception avec un logiciel modulaire est plus efficace, mais elle permet également aux ingénieurs d'offrir la flexibilité souhaitée par les clients. Par exemple, imaginons qu'un client souhaite une machine capable de traiter des produits de différentes tailles, et que la plus grande taille nécessite de modifier le fonctionnement d'une section. Grâce à un logiciel modulaire, les concepteurs peuvent simplement changer la section sans affecter les autres fonctions de la machine. Cette modification peut être automatisée pour permettre au fabricant d'équipement d'origine, voire au client, de passer rapidement d'une fonction à l'autre. Il n'y a rien à reprogrammer, car le module est déjà intégré à la machine.

Les constructeurs de machines peuvent proposer une machine de base standard avec des options pour répondre aux besoins spécifiques de chaque client. Le développement d'un portefeuille de modules mécaniques, électriques et logiciels facilite l'assemblage rapide de machines configurables.

Pour optimiser l'efficacité d'un logiciel modulaire, il est essentiel de respecter les normes du secteur, surtout si vous faites appel à plusieurs fournisseurs. Si le fournisseur de variateurs et de capteurs ne respecte pas les normes du secteur, ces composants ne peuvent pas communiquer entre eux et l'efficacité de la modularité est perdue dans la recherche de connexions.

De plus, si votre client envisage de connecter le flux de données à un réseau cloud, il est essentiel que tout logiciel soit créé à l'aide de protocoles standard du secteur, afin que la machine puisse fonctionner avec d'autres machines et s'interfacer avec les services cloud.

OPC UA et MQTT sont les architectures logicielles standard les plus courantes. OPC UA permet une communication en temps quasi réel entre les machines, les contrôleurs, le cloud et les autres équipements informatiques, et constitue probablement l'infrastructure de communication la plus holistique disponible. MQTT est un protocole de messagerie IIoT plus léger qui permet à deux applications de communiquer entre elles. Il est souvent utilisé dans un seul produit, permettant par exemple à un capteur ou à un disque d'extraire des informations d'un produit et de les envoyer vers le cloud.

【Connectivité Cloud】

Les machines interconnectées en boucle fermée restent majoritaires, mais les usines entièrement connectées au cloud gagnent en popularité. Cette tendance pourrait accroître le niveau de maintenance prédictive et de production pilotée par les données, et constitue la prochaine évolution majeure des logiciels d'usine ; elle commence par la connectivité à distance.

Les usines connectées au cloud analysent les données de différents processus, de différentes lignes de production, etc., afin de créer des représentations plus complètes du processus de production. Cela leur permet de comparer le taux de rendement global (TRG) des équipements de différentes installations. Les équipementiers de pointe collaborent avec des partenaires d'automatisation de confiance pour proposer des machines compatibles cloud, dotées de fonctionnalités modulaires Industrie 4.0, capables de transmettre les données nécessaires aux utilisateurs finaux.

Pour les constructeurs de machines, l'utilisation de l'automatisation du contrôle de mouvement et l'adoption d'une approche holistique et globale du processus pour rendre les usines ou les entreprises des clients plus efficaces permettront à coup sûr de gagner davantage de marchés.