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

Qu’il s’agisse d’améliorer une machine à commande de mouvement existante ou d’en concevoir une nouvelle, il est essentiel que les concepteurs commencent par intégrer la commande de mouvement dans leur réflexion. Ils pourront ensuite optimiser la conception pour obtenir une automatisation efficace et performante.

Les machines à commande de mouvement doivent être conçues et construites en fonction de leurs fonctions principales. Par exemple, pour une machine d'impression qui repose sur un ensemble spécifique d'applications d'enroulement, les concepteurs se concentreraient sur les éléments critiques et développeraient le reste de la machine en fonction des fonctions principales.

Cela ressemble aux bases de la conception technique, mais face aux contraintes de mise sur le marché et à l'organisation traditionnelle des équipes en départements mécanique, électrique et logiciel, la conception a tendance à se réduire à un processus linéaire. Or, concevoir en intégrant la commande de mouvement exige 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 devraient 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】

Le déplacement des pièces est généralement le principal axe de travail des ingénieurs, 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 technologies d'ingénierie virtuelle et de conception modulaire.

La première étape de la conception d'une machine consiste à se poser la question suivante : quelles sont les fonctions essentielles de cette machine ? Il peut s'agir de créer une machine facile à nettoyer, nécessitant peu d'entretien ou d'une grande précision. Il convient ensuite d'identifier la technologie qui permettra d'atteindre les fonctionnalités, les performances ou le niveau de maintenance requis.

Plus le problème à résoudre est complexe, plus il sera difficile d'identifier les fonctions essentielles. Envisagez de collaborer avec un fournisseur de solutions d'automatisation axées sur le mouvement, capable de définir les détails critiques et de déterminer l'approche la plus adaptée.

Demandez-vous ensuite : quelles sont les fonctions standard de la machine ? Reprenons l’exemple de l’imprimante : les commandes de tension et de capteurs utilisées pour dérouler le support d’impression sont relativement standard. En réalité, environ 80 % des tâches d’une nouvelle machine sont des variantes de celles des machines précédentes.

L'utilisation de composants matériels modulaires et d'une programmation logicielle adaptée aux exigences d'ingénierie des fonctions standard réduit considérablement les ressources de conception nécessaires à la réalisation du projet. Elle s'appuie également sur des fonctions éprouvées, ce qui accroît la fiabilité et vous permet de vous concentrer sur les aspects plus complexes de la conception.

Collaborer avec un partenaire de contrôle de mouvement capable de fournir des fonctions standard grâce à un matériel et un logiciel modulaires vous permet de 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 conçoivent la structure et les composants mécaniques de la machine ; les ingénieurs électriciens ajoutent l’électronique, notamment les variateurs, les câbles et les commandes ; et enfin, les ingénieurs logiciels écrivent le code. À chaque erreur ou problème, l’équipe projet doit revenir en arrière et corriger le tir. Une part considérable du temps et de l’énergie est ainsi consacrée à refaire la conception suite à des modifications ou des erreurs. Heureusement, la conception mécanique à l’aide de logiciels de CAO et le cloisonnement de la planification et de la conception appartiennent presque au passé.

Aujourd'hui, l'ingénierie virtuelle permet aux équipes de concevoir le fonctionnement des machines en utilisant plusieurs voies parallèles, ce qui raccourcit considérablement le cycle de développement et le délai de commercialisation. Grâce à la création d'un jumeau numérique (une représentation virtuelle de la machine), chaque département peut travailler de manière autonome et développer des pièces et des commandes simultanément avec le reste de l'équipe.

Un jumeau numérique permet aux ingénieurs de tester rapidement différentes conceptions de machines, ainsi que les technologies qui les composent. Par exemple, si un processus nécessite l'alimentation d'une machine en matériau jusqu'à l'obtention de la quantité souhaitée, puis la découpe du matériau, il est indispensable de trouver un moyen d'interrompre l'alimentation lors des découpes. Plusieurs solutions existent pour relever ce défi, et chacune peut impacter le fonctionnement global de la machine. Grâce au jumeau numérique, tester différentes solutions ou déplacer des composants pour observer leur impact sur les opérations est simple et permet un prototypage plus efficace et moins complexe.

L'ingénierie virtuelle permet aux équipes de conception de visualiser comment l'ensemble de la machine et ses concepts imbriqués interagissent pour atteindre un ou plusieurs objectifs spécifiques.

【Sélection de la topologie】

Les conceptions complexes, avec leurs multiples fonctions, leurs mouvements multi-axes et multidimensionnels, ainsi que leurs débits et rendements élevés, rendent la topologie des systèmes tout aussi complexe. Le choix entre une automatisation centralisée, basée sur un contrôleur, et une automatisation décentralisée, basée sur des variateurs, dépend de la machine à concevoir. Les fonctions de la machine, tant globales que locales, déterminent le choix de la topologie. L'espace disponible dans l'armoire, la taille de la machine, les conditions ambiantes et même le temps d'installation sont également des facteurs déterminants.

Automatisation centralisée. La meilleure façon d'obtenir une commande de mouvement coordonnée pour les machines complexes est d'utiliser une automatisation basée sur un contrôleur. Les commandes de mouvement sont généralement transmises à des servovariateurs 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. C'est la topologie idéale lorsque le mouvement est au cœur de la machine et que toutes les pièces doivent être synchronisées. Par exemple, si le positionnement précis de chaque axe de mouvement est crucial pour positionner correctement un bras robotisé, l'automatisation par contrôleur sera probablement la solution la plus appropriée.

Automatisation décentralisée. Grâce à des machines et des modules plus compacts, la commande de mouvement décentralisée réduit, voire élimine, la charge sur les systèmes de commande des machines. Dans ce cas, des variateurs de fréquence plus petits prennent en charge la commande décentralisée, un système d'E/S traite 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 prendre en charge l'exécution d'une tâche sans avoir à rendre constamment compte au contrôle central. Dans ce cas, chaque partie de la machine fonctionne rapidement et indépendamment, ne communiquant son résultat qu'une fois sa tâche terminée. Grâce à cette répartition de la charge entre les différents dispositifs, la machine dans son ensemble bénéficie d'une puissance de traitement distribuée accrue.

Contrôle centralisé et décentralisé. Si l'automatisation centralisée assure la coordination et la décentralisation une puissance de traitement distribuée plus efficace, une combinaison des deux est parfois la meilleure solution. La décision finale dépend des exigences générales, 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 un projet est complexe, plus il est important de s'entourer d'un partenaire en ingénierie de contrôle de mouvement capable de conseiller sur les différents aspects. C'est lorsque le constructeur de machines apporte la vision et le partenaire en automatisation les outils que l'on obtient la meilleure solution.

【Réseaux de machines】

L'établissement d'une interconnexion propre et évolutive est 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 permet de réduire le nombre de câbles et leur longueur. Par exemple, un ensemble de 10 à 15 câbles reliant un terminal distant peut être remplacé par un câble Ethernet utilisant un protocole de communication industriel tel qu'EtherCAT. L'Ethernet n'est pas la seule option, mais quel que soit votre choix, assurez-vous de disposer des outils ou bus de communication appropriés pour utiliser les protocoles courants. Choisir un bus de communication adapté et planifier l'agencement de l'ensemble du réseau facilitera grandement les extensions futures.

Dès le départ, privilégiez une conception soignée à l'intérieur de l'armoire. Par exemple, évitez de placer les alimentations à proximité de composants électroniques sensibles aux interférences magnétiques. Les composants à courant ou fréquence élevés peuvent générer du bruit électrique dans les câbles. Il est donc essentiel d'éloigner les composants haute tension des composants basse tension pour un fonctionnement optimal. Par ailleurs, vérifiez la conformité de votre réseau aux normes de sécurité. Dans le cas contraire, vous aurez probablement besoin de connexions de sécurité redondantes câblées : ainsi, en cas de défaillance d'un composant, le système détectera sa propre panne et réagira en conséquence.

Avec l'essor de l'Internet industriel des objets (IIoT), envisagez d'intégrer des fonctionnalités avancées que vous ou vos clients n'êtes peut-être pas encore prêts à utiliser. En intégrant ces fonctionnalités directement dans la machine, vous faciliterez sa mise à niveau ultérieure.

【Logiciel】

D'après les estimations du secteur, les constructeurs automobiles devront bientôt consacrer 50 à 60 % de leur temps de développement machine aux exigences logicielles. Cette évolution, qui passe d'une approche axée sur la mécanique à une approche axée sur l'interface, désavantage les petits constructeurs de machines sur le plan concurrentiel, mais peut aussi égaliser les chances pour les entreprises prêtes à adopter des logiciels modulaires et des protocoles ouverts et standardisés.

L'organisation du logiciel peut étendre ou limiter les capacités d'une machine, aujourd'hui comme demain. À l'instar du matériel modulaire, le logiciel modulaire améliore la rapidité et l'efficacité de la construction des machines.

Par exemple, imaginons que vous conceviez une machine et souhaitiez ajouter une étape entre deux phases. Avec un logiciel modulaire, il vous suffit d'ajouter un composant sans reprogrammation ni réécriture du code. De même, si vos six sections effectuent la même tâche, vous pouvez écrire le code une seule fois et l'utiliser pour l'ensemble des six sections.

Non seulement la conception est plus efficace grâce aux logiciels modulaires, mais elle permet également aux ingénieurs d'offrir la flexibilité recherchée 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 une modification du fonctionnement d'une section. Avec un logiciel modulaire, les concepteurs peuvent simplement remplacer cette section sans affecter le reste des fonctions de la machine. Ce changement peut être automatisé pour permettre au fabricant d'équipement d'origine (OEM), voire au client, de basculer rapidement entre les fonctions de la machine. Aucune reprogrammation n'est nécessaire puisque 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'une gamme de modules mécaniques, électriques et logiciels facilite l'assemblage rapide de machines configurables.

Pour tirer pleinement parti des logiciels modulaires, il est essentiel de respecter les normes industrielles, surtout si vous faites appel à plusieurs fournisseurs. Si le fournisseur du variateur et du capteur ne respecte pas ces normes, ces composants ne pourront pas communiquer entre eux et tous les avantages de la modularité seront perdus, le temps de déterminer comment les connecter.

De plus, si votre client prévoit de connecter le flux de données à un réseau cloud, il est essentiel que tout logiciel soit créé en utilisant des 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 standard les plus courantes. OPC UA permet une communication quasi temps réel entre les machines, les contrôleurs, le cloud et d'autres périphériques informatiques, et constitue probablement l'infrastructure de communication la plus complète qui soit. MQTT est un protocole de messagerie IIoT plus léger qui permet à deux applications de communiquer entre elles. Il est souvent utilisé au sein d'un même produit, permettant par exemple à un capteur ou à un variateur de récupérer des informations d'un produit et de les envoyer vers le cloud.

【Connectivité au cloud】

Les machines interconnectées en boucle fermée restent majoritaires, mais les usines entièrement connectées au cloud gagnent en popularité. Cette tendance pourrait améliorer la maintenance prédictive et la production pilotée par les données ; elle représente la prochaine grande évolution des logiciels d’usine et repose sur la connectivité à distance.

Les usines connectées au cloud analysent les données issues de différents processus, lignes de production et autres sources afin d'obtenir une représentation plus complète du processus de production. Cela leur permet de comparer l'efficacité globale des équipements (OEE) de diverses installations de production. Les constructeurs de pointe collaborent avec des partenaires d'automatisation de confiance pour proposer des machines compatibles avec le cloud et 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 des processus pour rendre les usines ou les entreprises de leurs clients plus efficaces seront assurément un gage de succès commercial.