Ce que les constructeurs 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 garder à l'esprit le contrôle du mouvement. Ils peuvent ensuite développer la conception autour de la meilleure façon d’obtenir une automatisation efficace et efficiente.

Les machines basées sur le mouvement doivent être conçues et construites autour de leurs fonctions principales. Pour une machine d'impression qui repose sur un ensemble spécifique d'applications de bobinage, par exemple, les concepteurs se concentreraient sur les pièces critiques et développeraient le reste de la machine pour prendre en charge les fonctions de base.

Cela ressemble à Design Engineering 101, mais avec les pressions liées aux délais de mise sur le marché et les équipes traditionnellement cloisonnées dans les départements mécaniques, électriques et logiciels, il est facile pour la conception de revenir à un processus largement linéaire. Cependant, concevoir en gardant à l'esprit le contrôle de mouvement nécessite une approche mécatronique qui comprend le développement des concepts initiaux, la détermination de la topologie du système et de l'approche machine, ainsi que la sélection 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 afin de réduire les inefficacités, les erreurs et les coûts tout en permettant aux équipementiers de résoudre les problèmes des clients plus rapidement.

【Le processus de conception】

Les ingénieurs consacrent généralement la majeure partie de leurs efforts d'ingénierie à la manière et à l'endroit où les pièces se déplacent, en particulier lorsqu'ils développent des machines innovantes. Bien que les constructions innovantes soient de loin celles qui prennent le plus de temps, elles offrent souvent le retour sur investissement le plus important, surtout si les équipes utilisent les dernières avancées en matière d'ingénierie virtuelle et de conceptions modulaires.

La première étape lors du développement d’une machine à partir de zéro est de se demander : quelles sont les fonctions critiques de cette machine ? Il peut s’agir de fabriquer une machine facile à nettoyer, nécessitant peu d’entretien ou très précise. Identifiez la technologie qui fournira la fonction, les performances ou le niveau de maintenance requis.

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

Demandez ensuite : Quelles sont les fonctions standard de la machine ? En reprenant l'exemple précédent de la machine d'impression, les commandes de tension et de capteur utilisées pour dérouler le matériau sur lequel on imprime sont assez standard. En fait, environ 80 % des tâches d'une nouvelle machine sont des variations des tâches des machines précédentes.

L'utilisation de matériel modulaire et de programmation de code pour répondre aux exigences d'ingénierie des fonctions standard réduit considérablement la quantité de ressources de conception nécessaires pour mener à bien le projet. Il utilise également des fonctions éprouvées, augmentant ainsi la fiabilité et vous permettant de vous concentrer sur des parties 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 typique, les ingénieurs en mécanique construisent la structure de la machine et ses composants mécaniques ; les ingénieurs électriciens ajoutent l'électronique, y compris les entraînements, les fils et les commandes ; puis les ingénieurs logiciels écrivent le code. Chaque fois qu'il y a une erreur ou un problème, l'équipe de projet doit revenir en arrière et la corriger. Dans le processus de conception, beaucoup de temps et d'énergie sont consacrés à refaire la conception en fonction de changements ou d'erreurs. Heureusement, la conception mécanique avec un logiciel 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 chemins 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 pièces et des contrôles en parallèle avec le reste de l'équipe.

Un jumeau numérique permet aux ingénieurs de tester rapidement diverses conceptions d'une machine ainsi que vos technologies de machine. Par exemple, un processus nécessite peut-être que le matériau soit introduit dans une alimentation de machine jusqu'à ce que la quantité souhaitée soit collectée, puis le matériau soit coupé ; cela signifie que vous devez trouver un moyen d'arrêter l'alimentation chaque fois que le matériau doit être coupé. Il existe plusieurs façons de relever ce défi, et toutes peuvent affecter le fonctionnement global de la machine. Essayer différentes solutions ou déplacer des composants pour voir comment cela affecte les opérations est simple avec un jumeau numérique et conduit à un prototypage plus efficace (et moins).

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

【Sélection de la topologie】

Les conceptions complexes avec plusieurs fonctions, plus d'un axe de mouvement et un mouvement multidimensionnel, ainsi qu'une sortie et un débit plus rapides rendent la topologie du système tout aussi compliquée. Le choix entre une automatisation centralisée basée sur un contrôleur ou une automatisation décentralisée basée sur des entraînements dépend de la machine à concevoir. Ce que fait la machine, à la fois ses fonctions globales et locales, détermine si vous optez pour une topologie centralisée ou décentralisée. L'espace de l'armoire, la taille de la machine, les conditions ambiantes et même le temps d'installation affectent également cette décision.

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

Avec l'automatisation basée sur un contrôleur, plusieurs axes de mouvement peuvent être coordonnés pour effectuer une tâche complexe. C'est une topologie 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 se trouve à un endroit spécifique pour positionner correctement un bras de robot, vous choisirez probablement l'automatisation basée sur un contrôleur.

Automatisation décentralisée. Avec des machines et des modules de machine plus compacts, le contrôle de mouvement décentralisé réduit ou élimine la charge sur les commandes de machine. Au lieu de cela, des variateurs plus petits assument des responsabilités de contrôle décentralisées, 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 assumer la responsabilité d'accomplir une tâche et n'a pas à constamment rendre compte au contrôle central. Au lieu de cela, chaque partie de la machine fonctionne rapidement et indépendamment, ne rendant compte qu'une fois sa tâche terminée. Étant donné que chaque périphérique gère sa propre charge dans un tel arrangement, la machine dans son ensemble peut tirer parti d'une puissance de traitement plus distribuée.

Contrôle centralisé et décentralisé. Bien que l’automatisation centralisée assure la coordination et que la décentralisation fournisse une puissance de traitement distribuée plus efficace, une combinaison des deux constitue parfois le meilleur choix. La décision finale dépend d'exigences globales, notamment d'objectifs liés au : coût/valeur, débit, efficacité, fiabilité dans le temps, spécifications de sécurité.

Plus le projet est complexe, plus il est important d'avoir un partenaire en ingénierie de contrôle de mouvement qui puisse donner des conseils sur les différents aspects. Lorsque le constructeur de machines apporte la vision et que le partenaire en automatisation apporte les outils, vous obtenez alors la meilleure solution.

【Mise en réseau de machines】

Établir une interconnectivité propre et évolutive est également une étape clé dans la conception en tenant compte du 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 ce que font les composants, mais également de la façon dont vous connectez le tout.

Une bonne conception réduit le nombre de fils et la distance qu’ils doivent parcourir. Par exemple, un ensemble de 10 à 15 fils allant à un terminal distant pourrait être remplacé par un câble Ethernet utilisant un protocole de communication industriel tel qu'EtherCAT. Ethernet n'est pas le seul choix, mais quel que soit celui que vous utilisez, assurez-vous de disposer des bons outils ou bus de communication, afin de pouvoir utiliser des protocoles courants. Choisir un bon bus de communication et avoir un plan sur la façon dont tout sera disposé rend les expansions futures encore plus faciles.

Concentrez-vous dès le départ sur la création d’un bon design à l’intérieur de l’armoire. Par exemple, ne placez pas les blocs d'alimentation à proximité de composants électroniques susceptibles d'être affectés par des interférences magnétiques. Les composants présentant des courants ou des fréquences élevés peuvent générer du bruit électrique dans les fils. Éloignez donc les composants haute tension des composants basse tension pour un fonctionnement optimal. De plus, découvrez si votre réseau est classé en matière de sécurité. Sinon, vous aurez probablement besoin de connexions de sécurité redondantes câblées. Ainsi, si une pièce tombe en panne, elle détecte sa propre panne et réagit.

À mesure que l’Internet industriel des objets (IIoT) s’installe, envisagez d’ajouter des fonctions avancées que vous ou vos clients n’êtes peut-être pas encore prêts à utiliser. Intégrer les capacités à la machine signifie qu'il sera plus facile de mettre à niveau cette machine ultérieurement.

【Logiciel】

Selon les estimations du secteur, il ne faudra pas longtemps avant que les constructeurs OEM consacrent 50 à 60 % de leur temps de développement de machines aux exigences logicielles. L'évolution d'une focalisation sur la mécanique vers une focalisation sur l'interface place les petits constructeurs de machines dans une situation désavantageuse sur le plan concurrentiel, mais peut également uniformiser les règles du jeu pour les entreprises désireuses d'adopter des logiciels modulaires et des protocoles ouverts et standardisés.

La manière dont les logiciels sont organisés peut étendre ou limiter ce qu’une machine peut faire aujourd’hui et dans le futur. Tout comme le matériel modulaire, les logiciels modulaires améliorent la vitesse et l’efficacité de la construction de machines.

Par exemple, supposons que vous conceviez une machine et que vous 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 qui font toutes la même chose, vous pouvez écrire du code une fois et l'utiliser dans les six sections.

Non seulement la conception est plus efficace avec un logiciel modulaire, mais elle permet également aux ingénieurs d'offrir la flexibilité dont les clients ont besoin. Par exemple, supposons que le client souhaite une machine qui traite des produits de différentes tailles et que la plus grande taille nécessite une modification du fonctionnement d'une section. Grâce à un logiciel modulaire, les concepteurs peuvent simplement modifier la section sans affecter le reste des fonctions de la machine. Ce changement pourrait être automatisé pour permettre au constructeur OEM, ou même au client, de basculer rapidement entre les fonctions de la machine. Il n'y a rien à reprogrammer car le module est déjà dans la machine.

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

Cependant, pour tirer le meilleur parti d'un logiciel modulaire, il est essentiel de suivre les normes de l'industrie, surtout si vous faites appel à plusieurs fournisseurs. Si le fournisseur du variateur et du capteur ne respecte pas les normes industrielles, ces composants ne peuvent pas communiquer entre eux et toute l'efficacité de la modularité est perdue lorsqu'il s'agit de déterminer comment connecter les pièces.

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 de l'industrie, 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 standards les plus courantes. OPC UA permet une communication en temps quasi réel entre les machines, les contrôleurs, le cloud et d'autres appareils informatiques, et est probablement ce qui se rapproche le plus d'une infrastructure de communication holistique que vous puissiez obtenir. 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 lecteur d'extraire des informations d'un produit et de les envoyer vers le cloud.

【Connectivité cloud】

Les machines interconnectées en boucle fermée sont toujours majoritaires, mais les usines entièrement connectées au cloud gagnent en popularité. Cette tendance pourrait élever le niveau de maintenance prédictive et de production basée sur les données et constitue le prochain changement majeur dans les logiciels d'usine ; cela commence par la connectivité à distance.

Les usines en réseau cloud analysent les données de différents processus, de différentes lignes de production, etc. pour créer des représentations plus complètes du processus de production. Cela leur permet de comparer l’efficacité globale des équipements (OEE) de diverses installations de production. Les équipementiers de pointe travaillent avec des partenaires d'automatisation de confiance pour proposer des machines prêtes pour le cloud avec des capacités modulaires de l'industrie 4.0 capables d'envoyer les données dont les utilisateurs finaux ont besoin.

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