Publications techniques

2008

Guide des solutions d’automatisme

Avant Propos

La version précédente de cet ouvrage a été publiée dans les années 80 et remise à jour en 1994 sous le nom « Les aspects pratiques du contrôle industriel », également connu sous le terme de « Schémathèque ». Au cours des 20 dernières années, le monde des automatismes industriels a connu d’importantes évolutions. Ces changements ont deux origines principales : les tendances du marché et les avancées technologiques.

Marché et clients Afin de répondre à la demande croissante, de faire face aux impor­ tantes pressions sur les coûts et de défendre leurs avantages concurrentiels, les fabricants sont contraints de travailler sur des cycles de production de plus en plus courts et de renouveler ou faire évoluer fréquemment leurs produits. Ils se concentrent sur deux principes fondamentaux : la réduction permanente des coûts et l’innovation dans les produits principaux. Pour ces raisons, de plus en plus d’industriels se sont surtout recentrés sur le marché en aval et ont externalisé les opérations non principales. En outre, ils ont intensifié la demande d’adaptation et de flexibilité du processus de production. Au cours des 20 dernières années, nous avons constaté une tendance favorisant l’externalisation de la conception, de la gestion de projets et de la réalisation vers des bureaux de réalisation d’ensembles, des intégrateurs de systèmes et des ensembliers (OEM). Ces fournisseurs d’automatismes sont devenus les partenaires incontournables du marché externalisé et se sont spécialisés dans un nombre limité d’applications afin d’être des partenaires crédibles prêts à assumer leur part de responsabilité et de risque. Dans cette nouvelle configuration à grande échelle, les construc­ teurs de machines ont souvent été en mesure d’agrandir leur périmètre afin de devenir les détenteurs principaux du savoir-faire dans de nombreux domaines. Comme leur rôle dans la technique s’approfondit et que la complexité des machines augmente, les constructeurs de machines sont amenés à élargir l’étendue de leurs compétences principales. Le temps d’arrivée sur le marché des équipements produits par les constructeurs de machines se réduit pour se conformer aux évolutions des exigences des utilisateurs finaux. Cette pression sur la rapidité se reporte sur les fournisseurs des constructeurs de machines tels que les tableautiers qui fournissent de plus en plus de solutions globales. D’autres acteurs, tels que les bureaux de réalisation d’ensembles et les intégrateurs de systèmes, ont suivi la même tendance. La valeur essentielle générée par les intégrateurs de systèmes est la spécification du système (choisir la solution en accord avec les caractéristiques et le rendement à réaliser dans un cas particulier). Ils ont une position neutre sur la sélection de la marque. A la suite de l’externalisation des activités techniques par les fabricants, les bureaux de réalisation d’ensembles se sont vus déléguer un pouvoir de spécification accru pour les produits de contrôle industriel et d’automatisme. Ces industriels, en se recentrant sur leurs activités principales, ont fait reposer une double responsabilité sur les fournisseurs : la réduction du coût total de la propriété et la garantie de qualité de la prestation. En contrepartie, ils les laissent décider de la solution. Le pouvoir de prescription ayant été transféré, les intermédiaires préconisent souvent des solutions globales plutôt que des produits séparés. Les bureaux de réalisation d’ensembles, intégrateurs de systèmes, constructeurs de machines et tableautiers, devant prendre de plus en plus de responsabilités pour fournir des solutions, exigent que leurs fournisseurs de produits fassent preuve de plus en plus de compétence vis-à-vis des applications en plus de la compétence déjà demandée concernant les produits.

Technologie L’évolution de la technologie a pesé sur le marché des auto­ matismes et du contrôle pour apporter la réponse aux besoins

prioritaires de la clientèle :

n Réduction du temps d’arrivée sur le marché.

n Réduction du coût d’acquisition.

n Optimisation de la reconstruction des opérations.

n Accroissement de la flexibilité (changement rapide du

processus de fabrication).

n

Accès à l’information tant pour les besoins du système d’exécution de la fabrication que pour la maintenance, afin d’optimiser les coûts de production et de réduire les durées des arrêts.

Les préoccupations ci-dessus se sont traduites en une exigence de techniques de développement plus rapides (approche fonctionnelle) basée sur des appareils plus génériques. L’approche traditionnelle hiérarchique et centralisée (Computer Integrated Manufacturing – CIM – dans un processus tout ou rien et des systèmes globaux fonctionnant en continu) de la fin des années 1990 est devenue obsolète. Elle a été remplacée par une architecture plus décentralisée, distribuant les fonctions d’automatisme (traitement, contrôle de puissance, sécurité) de façon à ce qu’ils s’adaptent mieux et de manière plus autonome aux fonctions du processus local. La philosophie « web » a suivi une pénétration « de haut en bas » en capitalisant sur la généralisation de l’Ethernet et du protocole TCP/IPà tout d’abord en s’intégrant aux grands automates complexes, puis en migrant progressivement des automates vers des « dispositifs intelligents ». L’alliance de l’Ethernet et des technologies web a permis une interconnexion directe et transparente des systèmes de contrôle aux niveaux de l’exécution de la fabrication et de l’ERP. Simultanément, les dispositifs (actionneurs, capteurs, blocs E/S, variateurs de vitesse, etc.) ont suivi une évolution de « bas en haut » en intégrant des fonctions de communication et des capacités de traitement local, partageant progressivement des informations entre eux pour offrir de nouvelles possibilités. Ces dispositifs évoluent progressivement vers le concept de « dispositifs intelligents ». Parallèlement, les normes réseau ont finalement été largement acceptées, conduisant, de facto, à un nombre très réduit de normes. Aujourd’hui une très importante proportion de composants est directement connectable à un réseau ayant des capacités de large bande. Ceci découle de l’effet combiné des technologies web, de la rationalisation des normes réseau, de la rapide chute des prix et de la pénétration de l’électronique dans les appareils électromécaniques. Au cours des 10 dernières années, les outils d’automatisme et les langages de programmation ont progressé de façon radicale, passant du développement logiciel propre au matériel pour des logiciels de programmation standardisés. Les langages de pro­ grammation des automates ont progressivement évolué vers une approche fonctionnelle réduisant le temps de développement du code, augmentant la réutilisabilité des fonctions préprogrammées et le partage des objets entre utilisateurs de multifonctions. Les informations générées par différents outils de programmation sont accessibles à partir d’un outil collaboratif et partagent une base de données commune, ce qui améliore radicalement la gestion de l’information (paramètres, variables, etc).

Conclusion Schneider Electric, jouant son rôle de leader du marché des auto­ matismes, doit relever ces défis commerciaux et technologiques tout en protégeant les investissements passés de sa clientèle qui attend en retour la pérennité du service et de la compatibilité. Afin de satisfaire la demande croissante de solutions de la part de ses clients et de tenir compte des évolutions technologiques, Schneider Electric a conçu une « Approche solutions » basée sur des architectures d’automatismes découlant de son offre réputée de produits d’automatismes.. Le but de l’approche solutions de Schneider Electric est de fournir, aux constructeurs de machines et aux intégrateurs de systèmes en particulier, des architectures d’au­ tomatismes entièrement testées et validées, afin qu’ils puissent les adapter pour définir la solution appropriée recherchée. Cet ouvrage est une présentation pratique de cette approche solutions.

Guide des solutions d’automatisme

Sommaire général

1

Guide de choix

2

Alimentation électrique

28

3

Moteurs et charges

36

4

Démarrage et protection des moteurs

64

5

Départs moteurs

96

6

Acquisition de données : détection

134

7

Sécurité des personnes et des biens

164

8

Dialogue homme/machine

188

9

Réseaux industriels

202

10

Traitement de données et logiciel

236

11

Mise en œuvre

260

12

Eco-Conception

282

M

Memento

296

8

5

Guide des solutions d’automatisme 1

Sommaire détaillé

Guide de choix 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

2

3

4

5

Introduction L’équipement d’automatisme Les architectures d’automatisme Définition des architectures Les choix des équipements d’automatisme

Alimentation électrique

28

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

30

30

30

32

33

Introduction L’alimentation électrique des machines Les normes et habitudes Les fonctions de l’alimentation électrique L’alimentation du circuit de contrôle

Moteurs et charges

36

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

38

42

43

46

48

52

52

59

Les moteurs asynchrones triphasés Les moteurs monophasés Les moteurs synchrones Les moteurs à courant continu L’exploitation des moteurs asynchrones triphasés Comparaison des différents types de moteurs Les différents types de charges Les vannes et vérins

Démarrage et protection des moteurs

64

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

66

73

78

80

81

81

87

Démarrage des moteurs à induction Freinage électrique des moteurs asynchrones triphasés Les démarreurs multifonctions La protection des moteurs Pertes et échauffement dans les moteurs Les différentes causes de défauts et leurs conséquences Les fonctions et les produits de protection

Départs moteurs 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15

6

6

8 10

10

12

14

17

Généralités Les fonctions de base des départs-moteurs Une fonction complémentaire : la communication Départs-moteurs et coordination Les variateurs de vitesse Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques Variateur-régulateur pour moteur courant continu Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Gradateur de tension pour moteur asynchrone Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas-à-pas Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance Grille de choix des départs moteurs

96

98

98

101

102

105

110

114

116

123

125

126

127

129

131

132

Acquisition de données : détection

134

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12

136

137

138

140

142

144

146 149

153

158

161

162

Introduction Les interrupteurs de position électromécaniques Les détecteurs de proximité inductifs Les détecteurs de proximité capacitifs Les détecteurs photoélectriques Les détecteurs à ultrasons La détection RFID -Radio Frequency IDentificationLa vision Les codeurs optiques Les pressostats et vacuostats Conclusion Guide de choix des différentes technologies

Guide des solutions d’automatisme 7

8

9

10

11

12

M

Sommaire détaillé

Sécurité des personnes et des biens

164

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11

166 167 169 176 177 179 180 182 183 185 186

Introduction Les accidents industriels La législation européenne et les normes Le concept de fonctionnement sûr (safe operation) La certification et le marquage CE Les principes pour les organes de la sécurité Les fonctions de sécurité La sécurité des réseaux Exemple d’application Les fonctions et les produits de sécurité Conclusion

Dialogue homme/machine

188

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

190 192 192 195 195 199 200 201

Le positionnement du dialogue homme/machine Interfaces de dialogue Commande et signalisation tout ou rien L’offre Schneider Electric Commande et signalisation tout ou rien Les interfaces de dialogues évolués Modes d’échange Logiciels de développement Conclusion

Réseaux industriels

202

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11

204 204 205 207 209 210 213 220 228 228 235

Introduction Historique Les besoins et les réponses du marché Technologies des réseaux Les réseaux préconisés par Schneider Electric Ethernet TCP/IP Services Web et Transparent Ready Bus Can Open Synergie Ethernet et Can Open Bus AS-Interface (AS-I) Conclusion

Traitement de données et logiciel

236

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

238 238 239 240 254 258

Définition Introduction Programmation, configuration et langages Catégories d’applications UAG : Générateurs d’applications Définition des principales abréviations employées

Mise en œuvre

260

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12

262 263 264 266 267 268 269 272 273 274 277 279

Conception d’un équipement Choix d’un fournisseur Etablissement des schémas et des programmes Méthodologie de programmation Choix d’une technologie Conception de l’équipement Construction d’un équipement Le montage Aide à la mise en place d’appareils Essais en plate-forme Mise en service d’un équipement Maintenance de l’équipement

Eco-Conception

282

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8

284 285 286 287 287 288 291 291

Avant-propos Les concepts et les principales directives Les normes L’éco-conception Le cycle de vie Principales règles d’éco-conception Conclusion Applications

Memento

296

M.1 M.2 M.3 M.4 M.5 M.6 M.7 M.8 M.9

298 299 300 302 303 304 305 306 308

Grandeurs et unités de mesure Courant à charge nominale des moteurs asynchrones Formules électriques Calcul des résistances de démarrage Formules mécaniques Formules fondamentales Les régimes de neutre Entraînement des machines Tables de conversion entre unités usuelles

7

chapitre

1

Guide de choix A partir des besoins, choisir une architecture, puis une technologie pour aboutir à un produit

8

1. Guide de choix

Sommaire

1 2 1.1

Introduction

Page

1.2

L’équipement d’automatisme

Page

1.3

Les architectures d’automatisme

Page

1.4

Définition des architectures

Page

1.5

Les choix des équipements d’automatisme

Page

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

9

1. Guide de Choix

1.1

1.1 1.2

Introduction L’équipement d'automatisme

Introduction Les progrès des automatismes industriels ont permis aux industriels d'augmenter leur productivité et de réduire les coûts. La généralisation de l'électronique, la puissance et la souplesse des logiciels autorisent des conceptions plus modulaires, une meilleure exploitation et offrent de nouveaux outils de maintenance. Les exigences des clients ont aussi considérablement évolué, la concurrence, les contraintes de productivité et de qualité imposent une démarche à partir du processus de création de valeur.

b Le processus de création de valeur du client Le processus de création de valeur du client s'articule autour d'un flux principal correspondant à sa prestation de base (C Fig. 1), par exemple la fabrication d'un produit, le transport de personnes, le déplacement d'une charge. Ce processus nécessite des moyens matériels composés de machines et d'équipements d'automatisme. Ces moyens peuvent être regroupés dans un seul lieu comme une fabrication manufacturière, mais aussi répartis sur des zones très étendues comme un ensemble de traitement et de distribution d'eau. A Fig. 1

Processus de création de valeur

Pour assurer son fonctionnement, le processus nécessite des flux complémentaires tel que l'électricité, l'air, l’eau, le gaz, les emballages, etc. Le processus rejette des déchets qu’il faut collecter, transporter, traiter et éliminer.

1.2

L’équipement d'automatisme Un équipement d'automatisme est caractérisé par cinq fonctions de base associées et reliées par des liaisons de puissance et de contrôle (C Fig. 2).

b Les 5 fonctions de base v L'alimentation électrique Elle assure la distribution de l'énergie électrique vers les organes de puissance et de contrôle. Elle doit pouvoir être interrompue et protégée en conformité avec les normes d'installation électrique et celles des machines. Cette fonction est généralement assurée par un disjoncteur, ou un interrupteur porte-fusibles.

v La commande de puissance

A Fig. 2

Les fonctions de base

Elle permet de commander les charges électriques (actionneurs) à partir des ordres émis par l'automatisme. Un contacteur assurera la commande d'une charge en tout ou rien, tandis qu’un variateur électronique permettra la commande progressive d'un moteur ou d'une résistance de chauffage.

v Le dialogue Il est l'interface entre l'homme et la machine. Il permet de donner les ordres et de visualiser l'état du processus. La commande est assurée par des boutons poussoir, des claviers et des écrans tactiles. La visualisation étant faite par des voyants, des colonnes lumineuses et des écrans.

v Le traitement Il s’agit de la partie logique de l'automatisme qui permet à partir des ordres émis par l'opérateur et des mesures de l'état du processus de commander les pré-actionneurs et de fournir les informations nécessaires. Une large palette s'offre à l'automaticien, depuis la solution la plus simple (un bouton poussoir commande directement un contacteur), en passant par les systèmes à logique programmable, jusqu'à l'association collaborative entre des automates et des ordinateurs. La disponibilité d'automates simples à faible prix a pratiquement fait disparaître les schémas à relais. 10

1. Guide de Choix

1.2

L’équipement d'automatisme

v L'acquisition Elle permet de détecter un seuil ou de mesurer la valeur d'une grandeur physique. A ce jour presque toutes ces grandeurs sont détectables ou mesurables. Les progrès technologiques permettent d'offrir un large choix de capteurs.

b L'équipement doit satisfaire aux contraintes externes - assurer la sécurité des personnes et des moyens de production, - respecter les exigences de l’environnement telles que la température, la protection contre les chocs, les poussières ou les ambiances agressives.

b Les liaisons de puissance Elles assurent la connexion entre les différents organes et comportent des câbles, des jeux de barres, des connecteurs et des protections mécaniques telles que des gaines et des écrans. Les valeurs de courant s'échelonnent de quelques ampères à plusieurs milliers d’ampères. Outre les contraintes thermiques, leur calcul doit prendre en compte les contraintes électrodynamiques et mécaniques.

b Les liaisons de contrôle Elles permettent la commande et le contrôle de l'automatisme. Le câblage traditionnel par fils séparés est progressivement substitué par des connexions préfabriquées avec des connecteurs et des bus de communication.

b Le cycle de vie de l'équipement d'automatisme Un équipement est conçu, utilisé et entretenu tout au long de son cycle de vie. Celui-ci se définit par ses acteurs, leurs besoins, les contraintes internes du client et les contraintes externes (légales, normatives, etc.). Les étapes sont les suivantes : - définition de la machine ou du processus par le client, - choix des équipements d’automatisme, - approvisionnement des constituants, - mise en œuvre, test, - exploitation, - maintenance, - démantèlement, recyclage, destruction.

b Le coût des équipements La réduction des coûts est une préoccupation à tous les niveaux de choix et de décisions. Elle est très liée au contexte du client. Bien que ce guide ne présente que l'aspect technique, sa réalisation a été conduite avec un souci permanent d'optimisation économique.

b L'évolution du marché et des besoins Au cours des dernières années, le marché du contrôle des automatismes a été soumis à de fortes contraintes économiques et technologiques. Les principales priorités des clients sont devenues : - la réduction du temps de mise sur le marché des offres (time to

market),

- la prolifération des offres dues à la re-conception incrémentale

(conception modulaire permettant de commercialiser de nouveaux

produits sans refaire toute l'offre) et à la personnalisation,

- la pression des coûts. Cette donne génère de nouveaux besoins : - réduire le temps de développement et la complexité, - accroître la flexibilité, particulièrement dans le cas des changements de série pour les manufacturiers, - fournir des informations pour la gestion de production et pour la

maintenance (réduire les coûts, les temps d'arrêts, etc.).

11

1

1. Guide de Choix

1.2 1.3

L’équipement d'automatisme Les architectures d'automatisme

Pour répondre à ces besoins, la fourniture de produits fiables et performants doit être complétée par une offre d'architectures “prêtes à l'usage” qu'utiliseront les acteurs intermédiaires que sont les systèmes Intégrateurs ou les OEM pour spécifier et réaliser la solution adaptée à l'utilisateur final. La figure 3 illustre la liaison entre les acteurs du marché et l'offre que nous leur proposons.

A Fig. 3

Les acteurs du marché des automatismes

La fourniture d'architectures valorise les acteurs intermédiaires depuis le distributeur ou grossiste, le fabriquant de tableaux, l'installateur ou le fabriquant de machine. Cette démarche leur permet de répondre plus sûrement, plus justement et plus rapidement aux clients finaux dans différents secteurs d'applications, tel que l'agroalimentaire, l'infrastructure ou le bâtiment par exemple.

1.3

Les architectures d'automatisme L'approche hiérarchique traditionnelle traduite en concept aussi bien dans les processus manufacturiers (CIM : Computer Integrated Manufacturing) que dans les processus continus (PWS : Plant Wide Systems) a été substituée, à la fin des années 90 par une démarche de décentralisation. Les fonctions d'automatisme ont été implémentées au plus près du processus. Le développement du “Web”, s'appuyant sur Ethernet et le protocole TCP/IP, a d'abord pénétré les systèmes complexes d'automate. Progressivement ceux-ci se sont éclatés et se sont intégrés dans les autres fonctions donnant naissance aux “smart devices”. Cette architecture a permis une interconnexion transparente entre les systèmes de contrôle et les outils de gestions informatiques (MES, ERP). Simultanément les composants (actionneurs, variateurs de vitesse, capteurs, entrées/sorties, etc.) ont évolué progressivement vers le concept de “composant intelligent” (smart device) en intégrant des possibilités de programmation et de communication.

b Le composant intelligent ou smart device Cette notion inclut les nano-automates, les petits îlots d'automatisme (tel que Power Logic, Sepam, Dialpact, etc.) ainsi que les composants intégrant la fonction contrôleur, tel que les variateurs de vitesse. Ces produits sont suffisamment intelligents pour gérer localement les fonctions du processus et interagir entre eux. Le fait d'assurer une communication transparente permet de reconfigurer les tâches, de faire des diagnostics. Ces fonctions sont bien intégrées à la philosophie Web (adressage individuel, formatage des informations prêtes à l'emploi, gestion des fournisseurs d'informations).

12

1. Guide de Choix

1.3

Les architectures d'automatisme

Ces smart devices ont adopté systématiquement une approche de connexion/déconnexion à chaud (plug and play) pour la puissance, les bus de contrôle et les capteurs. Cette approche permet le remplacement rapide et aisé de l'équipement en cas de défaillance. L'intégration de navigateurs dans les claviers/écrans, commandes radio et autres interfaces hommes/machines a accéléré le déploiement des technologies Web, jusqu'aux niveaux des composants (C Chapitre 10 Traitement de données et Logiciel). L'intégration de fonctions de contrôle dans les smart devices ont permis de réduire le flux de données échangées sur les réseaux et donc de diminuer les coûts, de réduire la puissance des automates et d'accélérer les temps de réponse. Le besoin de synchronisation est ainsi limité grâce aux traitements locaux réalisés par les “smart devices”.

b Les réseaux En parallèle, les réseaux sont de plus en plus acceptés. La convergence s'est faite autour de quelques standards qui couvrent 80 % des applications. De nombreuses possibilités s'offrent aux concepteurs (Can Open, AS-Interface, Profibus, DeviceNet, etc.) mais la tendance est à la standardisation d'un réseau unique. Dans ce cadre, Ethernet qui a déjà conquis le domaine de l'informatique industrielle tend également à adresser les besoins des bus de terrain. Aujourd'hui, une large proportion de constituants est directement connectable sur les réseaux. Tout ceci est le résultat des effets combinés de la diffusion des technologies Web, de la rationalisation des standards de communication, de la décroissance rapide des prix des technologies de l'information et enfin de l'intégration de l'électronique dans les composants électromécaniques. Ces développements ont conduit à la définition de bus de terrain adaptés à la communication entre composants et automates tel que Modbus, Can Open, AS-Interface, Device Net, Interbus S, Profibus, Fip, etc.). Le poids croissant des besoins d'échange incitent les clients à donner priorité au choix des réseaux avant les équipements d'automatisme.

b Les logiciels et outils de développement Les outils de programmation ont beaucoup évolué depuis les logiciels captifs des plates-formes matérielles jusqu'aux logiciels purement fonctionnels et téléchargeables sur différentes configurations matérielles. La configuration des communications entre les différents composants est générée automatiquement. Les informations produites par les différents programmes sont accessibles à travers un outil fédératif et partagent une base de données commune distribuée, réduisant considérablement le temps de capture des informations (paramètres, variables, etc.). Jusqu'à ce jour les concepts des langages de programmation d'automates industriels restent stables. Pratiquement tous les fournisseurs font la promotion d'offres basées sur la norme IEC 61131-3 et quelques fois améliorées par des outils supportant le contrôle collaboratif. Les principales améliorations à venir concernent l'information générée par des produits qui vont permettre : - de générer automatiquement la configuration de l'automate et le

nommage des entrées/sorties,

- d'importer et d'exporter des fonctions entre le logiciel de l'automate et celui des composants, - d'intégrer les schémas électriques dans les outils de diagnostic, - de gérer une base de données communes, même pour une

configuration simple,

- d'offrir une transparence complète, - de proposer une ergonomie permettant l’apprentissage pour plusieurs usages. 13

1

1. Guide de Choix

1.3 1.4

Les architectures d'automatisme Définition des architectures

En plus de la programmation, les logiciels sont de plus en plus utilisés pour configurer, paramétrer et diagnostiquer les constituants. Toutes ces fonctions sont parfois regroupées dans un logiciel unique.

1.4

Définition des architectures Une architecture permet l'intégration et la coordination des fonctions d'automatisme nécessaires à la machine ou au processus qui a pour objectifs principaux la productivité et la sécurité de l'environnement. La majorité des besoins d'automatisme peut être couverte par un nombre limité d'architectures. Dans un souci de simplicité Schneider Electric propose de classifier les architectures suivant deux niveaux de structure : (C Fig. 4) - l'intégration fonctionnelle en nombre d'armoires ou de coffrets d'automatisme, - le nombre de fonctions de contrôle d'automatisme, c'est à dire le nombre d'unités de contrôle, des automates par exemple.

A Fig. 4

Les types d’architectures

Nous allons décrire et illustrer chacune de ces architectures dans les paragraphes suivants.

b All in one device - Toutes les fonctions dans un seul produit

A Fig. 5

Architecture simple “All in one device”

Dans cette structure qui est la plus compacte, l'ensemble des fonctions est groupé dans un même produit. Cette architecture va du plus simple au plus complexe, comme l'illustrent les deux exemples suivants.

v Le rideau télécommandé (C Fig. 6) Il ne comporte que quelques fonctions (C Fig. 5). Le contrôle est réduit à la commande directe du pré-actionneur par le capteur et le dialogue est limité à deux boutons poussoirs. Le pré-actionneur assure aussi les fonctions d'alimentation électrique et de protection du circuit de puissance.

A Fig. 6

14

Rideau télécommandé

1. Guide de Choix

1.4

Définition des architectures

v Tronçon de convoyage (C Fig. 8) L'ensemble des fonctions de puissance et de contrôle est intégré dans le variateur (C Fig. 7). La liaison avec les autres parties de l'automatisme se fait par un bus de communication. L'alimentation de la puissance nécessite une armoire de distribution électrique commune couvrant l'ensemble des équipements d'automatisme du procédé.

A Fig. 8

Tronçon de convoyeur piloté par un

ATV71 intégrant une carte contrôleur

A Fig. 7

Architecture complexe “All in one device”

b All in one panel - Toutes les fonctions dans une seule armoire

A Fig. 10

Pompe GPL

A Fig. 11

Machine d'inspection textile

A Fig. 12

Machine d'emballage

Cette architecture est la plus fréquente (C Fig. 9). Les fonctions d'automatisme sont centralisées dans une seule enveloppe qui suivant les cas sera, soit une armoire, soit le bâti de la machine et intégrera une seule fonction de contrôle (C Fig. 7). Vous trouverez des exemples d’applications aux figures 10, 11 et 12.

A Fig. 9

Architecture “All in one panel”

15

1

1. Guide de Choix

1.4

Définition des architectures

b Distributed peripheral - Fonctions distribuées dans plusieurs armoires Cette architecture comporte un seul automate central qui pilote plusieurs armoires d'automatisme distribuées autour de l'installation (C Fig. 13). Elle convient aux machines et aux procédés étendus ainsi qu'aux machines modulaires (C Fig. 14). La liaison contrôle s'effectue par un bus de terrain. L'alimentation électrique est centralisée et intègre souvent les éléments du contrôle et de commande de la sécurité.

A Fig. 14

Fabrication de pâtisserie industrielle

A Fig. 13

Architecture “Distributed peripheral”

b Collaborative control - Plusieurs fonctions de contrôle collaboratives Plusieurs machines ou parties de procédé comportent leurs propres contrôleurs (C Fig. 15). Ils sont reliés entre eux et collaborent à l'exécution du fonctionnement. Cette architecture concerne les grands procédés tels que ceux de la pétrochimie, de la sidérurgie, ou des infrastructures comme un aéroport ou un système de traitement des eaux (C Fig.16).

A Fig. 16

Système de traitement des eaux

A Fig. 15

Architecture “Collaborative control”

16

1. Guide de Choix

1.5

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Le choix des équipements d'automatisme

1

b La mise en œuvre des architectures Nous proposons d'accompagner le client en partant de sa

problématique pour le guider et optimiser le choix de l’architecture, des

produits et des services qui y seront intégrés. La démarche se fait à

partir de l'écoute de ses besoins et d'un questionnement structuré que

nous allons détailler.

Pour faciliter les choix, Schneider a optimisé plusieurs variantes des

deux architectures les plus utilisées.

La première orientée vers les applications compactes, regroupent les

produits d'automatisme dans une armoire “tout dans une armoire”.

La deuxième correspond aux applications distribuées sur les procédés.

Les produits d'automatisme sont répartis dans plusieurs armoires sous

le nom de “périphérie distribuée”.

Les deux autres (All in One Device et Collaborative Control) sont, bien

entendu, conservées, mais présentées différemment. La structure “tout

dans un produit” est assimilée à un produit et sera traitée comme telle.

La structure “contrôle collaboratif” concerne essentiellement les

échanges de données entre automates et est traitée aux chapitres sur

les liaisons et les échanges. Elle sera détaillée aux chapitres concernant

les automates ainsi que dans celui présentant les logiciels.

b Les choix proposés par Schneider Electric Les deux concepts d'architecture ci-dessus peuvent donner lieu à de multiples déclinaisons. Pour faciliter le choix du client et lui proposer des associations optimisées, Schneider Electric a retenu un total de 10 implémentations possibles. Pour éviter la confusion entre les concepts d'architecture présentés précédemment et les solutions pratiques que Schneider Electric propose, nous utiliserons pour celles-ci le terme d'implémentations préférées. Le tableau de la figure 17 résume cette démarche.

A Fig. 17

Choix des implémentations de Schneider Electric

17

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

b Les implémentations préférées Le tableau de la figure 18 en présente une synthèse. Elles sont plus amplement détaillées dans les documents fournis par Schneider Electric.

A Fig. 18

18

Principales caractéristiques des “implémentations préférées ”. Retrouvez les détails des architectures dans les figures 5 à 11

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

b La description des implémentations préférées

1

v Le choix d'une implémentation préférée L'approche solution de ces implémentations, intégrant l'ensemble des contraintes du client, présente de multiples avantages : - une simplification du choix des automatismes, - la tranquillité et la confiance de l'utilisateur, car l'interopérabilité des produits et le niveau de performances sont garanties, - l'implémentation choisie, le client possèdera un cadre suffisamment précis pour sélectionner, à l'aide du catalogue et des guides spécialisés, les fonctions d'automatisme et les produits nécessaires, - la mise en œuvre est facilitée par le travail réalisé en amont. Le tableau de la figure 19 résume la démarche proposée :

A Fig. 19

Démarche du choix d’un automatisme

Pour aider le client dans ses choix, Schneider Electric a élaboré un guide complet de questions regroupées en quatre thèmes dont le mnémotechnique est PICCS : (Performances, Installation, Contraintes, Coût, Surface). Un extrait est donné aux figures 20 et 21, à titre d'exemple. Pour connaître l'ensemble des implémentations proposées, nous vous suggérons de vous reporter aux catalogues. Nous nous contenterons ici d'illustrer la démarche à partir d'exemples.

19

1. Guide de Choix

A Fig. 20

20

Guide pour les architectures compactes

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

1

A Fig. 21

Guide pour les architectures distribuées

21

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Nous allons prendre trois applications différentes et déterminer pour

chacune d'entre elles la ou les architectures adaptées :

v Une grue de chantier

Cette machine (C Fig. 22), malgré sa simplicité apparente, doit satisfaire à

de sévères exigences de sécurité et d'environnement. Le marché

concurrentiel impose au fabricant des contraintes de coûts sur tous les

éléments.

Les caractéristiques de ce type de grue sont :

- Une puissance installée de 10 à 115 kW selon la charge levée

(2 à 350 tonnes).

- Les mouvements de levage, de rotation, de déplacement du chariot et de translation sont mus par des moteurs triphasés à cage à deux ou trois vitesses ou associés à un variateur électronique. - Le freinage est mécanique ou électrique.

- L'ensemble de l’application nécessite plus d'une dizaine de capteurs.

- L’interface homme/machine peut se situer en cabine ou se réaliser par

une commande radio à distance. Le choix de l'implémentation s'oriente naturellement vers un ensemble compact optimisé, rassemblé dans une seule armoire, disposé au pied de la grue. A Fig. 22

Grue de chantier

En surlignant en couleur le tableau de choix précédent, nous visualisons rapidement les possibilités (C Fig. 23).

A Fig. 23

Choix d’architectures pour une grue de chantier

La Compact simple est éliminée car ses possibilités sont trop limitées. Les deux autres Compact optimisée et compact évolutive optimisée sont adaptées. La dernière prenant l'avantage si la machine est de conception modulaire ou si le besoin de télémaintenance est précisé.

22

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Le choix des composants découle naturellement des contraintes du client et de celles de l'implémentation choisie. Les figures 24 et 25 illustrent les implémentations possibles :

A Fig. 24

Solution Compact optimisée

A Fig. 25

Solution compact évolutive

23

1

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Les fonctions des composants sont détaillées dans les chapitres suivants.

v Les convoyeurs et table rotatives (C Fig. 26 et 27) Ce type de machine est utilisé couramment dans les industries manufacturières. Il est étroitement lié au procédé qui l'environne. Le débit doit être régulé en fonction des produits. Les ordres viennent des automatismes amont et aval. Un automate contrôle plusieurs sections de convoyeur, chaque élément dispose d'une ou plusieurs armoires.

A Fig. 26

Table rotative

Les caractéristiques principales sont les suivantes : - faible puissance installée, - besoin de performance moyenne, - par tronçon, 2 à 10 moteurs triphasés à cage commandés par des variateurs de vitesse, - de 10 à 50 entrée/sorties, - interface par clavier écran, - connaissance en temps réel du type et du nombre de produits transportés. Le choix se portera sur l'une des architectures distribuées puisqu'il y a plusieurs armoires liées. Le tableau de choix (C Fig. 28) laisse clairement apparaître les solutions préférées. La solution avec bus ASI est un peu limitée par la difficulté de contrôler la vitesse des variateurs. La solution Ethernet, sauf cas particulier, risque d'être trop onéreuse.

A Fig. 27

Convoyeur

A Fig. 28

24

Choix d’architecture pour un système de convoyage

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Reste donc les deux solutions à base de bus de terrain Can Open. La première, optimisée en coût (C Fig. 29), assure les fonctions de base demandées. La seconde (C Fig. 30) permet une transparence et une synchronisation avec les autres automatismes extérieurs au tronçon décrit. Cette dernière solution permet une évolution facile. De plus, la configuration peut facilement être téléchargée, en cas par exemple de changement de série.

A Fig. 29

Solution Canopen optimisée

A Fig. 30

Solution Canopen

v Une station de relevage pour l'alimentation en eau potable Cet exemple (C Fig. 31) illustre une partie d'une infrastructure de traitement et de distribution des eaux. Elle est composée d'un ensemble d'unités réparties sur le territoire. Ce genre d'application doit être autonome et doit garantir la continuité de l’alimentation. Les clients sont très attentifs à la surveillance et à la maintenance de l'installation.

A Fig. 31

Station de relevage

Les caractéristiques de cette station sont : - 4 pompes de 7.5kM associées à des variateurs de vitesse, - une dizaine de capteurs (pression, débit), - un automate gérant la séquence des pompes et la communication, - la télésurveillance de l'installation.

25

1

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des équipements d'automatisme

Le choix s'oriente vers une des implémentations distribuées. Le tableau de la figure 32 permet de sélectionner la plus optimale. Type d'implémenation

Distribuée Intitulé de l'implémentation

Contraintes globales Performances

-Puissance installée -Précision, cadence

As-Interface Besoin 40kW

pas de contrainte 4 - nombre de moteurs type de moteurs asynchrone et Variation de vitesse selon option oui -Echange de données 10 capteurs -Nombre d'entrées / sorties -type et fonctions de dialogue clavier local + SCADA télégestion Logique de traitement

-Services à distance (diagnostique, mise à jour...)

Installation Contrainte d'environnement

-Nombre d'armoires -Evolutif -Ambiance (température, poussière…) -Sécurité (personnes, matériel)

Coût

Surface et taille

-coûts de conception -coût d'exploitation... -taille de l'installation Réseau interne

faible à moyenne faible à moyenne 1 à 10

asynchrone direct non 100

Claviers afficheurs

Claviers afficheurs

Claviers afficheurs

Claviers afficheurs PC

automate programmable

programmable fonctions basiques

atelier logiciel fonctions avancées

atelier logiciel fonctions avancées

atelier logiciel + collaboration autres systèmes

télégestion

non

possible

possible

oui

non défini oui oui pour les armoires externes Intrusion et continuité de service important important

0.9).

Les ballasts électroniques ont cependant certaines contraintes du au

schéma utilisé (C Fig. 38).

La présence d’un pont de diodes associé à des condensateurs entraîne

une pointe de courant à la mise sous tension. En fonctionnement, le

courant absorbé (C Fig. 39) est riche en harmonique 3 ce qui entraîne un

mauvais facteur de puissance de l’ordre de 55 %.

L’harmonique 3 a pour effet de surcharger le conducteur de neutre. Pour

de plus amples informations, consulter le Cahier Technique N° 202 Les

singularités de l’harmonique 3.

(A) 0,6 0,4 0,2 t

0

(s) -0,2 -0,4 -0,6 0

A Fig. 39

58

0,02

Forme d’onde du courant prélevé au réseau

Les ballasts électroniques disposent en général de capacités placées

entre les conducteurs d’alimentation et la terre. Ces condensateurs

d’antiparasitage sont responsables de la circulation d’un courant de fuite

permanent de l’ordre de 0.5 à 1 mA par ballast. Ceci conduit à limiter le

nombre de ballasts qu’il est possible d’alimenter par un Dispositif à

courant Différentiel Résiduel (DDR). (Voir le Cahier Technique n° 114).

3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vérins

3.8 Les vannes et vérins b Introduction Les process nécessitent le positionnement et le déplacement de charges. Cette fonction est assurée par des vérins pneumatiques et hydrauliques, mais également par des vérins électromécaniques. Ces derniers sont susceptibles d’être incorporés dans des systèmes de départ moteur ou reliés à des dispositifs de régulation pour, par exemple, des contrôles de position. Les pages qui suivent donnent une brève description de ces organes de positionnement. Les vannes destinées à contrôler le passage des fluides représentent un vaste marché et sont utilisées pour : - provoquer l’interruption d’un fluide (vannes d’arrêt), - changer le circuit du fluide (vannes trois voies), - mélanger des produits (vannes mélangeuses), - réguler un débit (vannes de régulation). Les fluides peuvent être des liquides ou du gaz (ventilation ou industrie chimique).

b Les vérins électriques Les applications d'entraînements linéaires exigent des vérins électriques de grandes performances notamment en terme d'effort, de vitesse, de durée de vie et de fiabilité. Les fournisseurs proposent des gammes très complètes de vérins électriques conçus pour satisfaire la plupart des demandes.

v Constitution d’un vérin électrique A Fig. 40

Photo d’un vérin électrique (Schneider Electric)

Les vérins électriques (C Fig.40) incorporent dans un même ensemble, une tige de commande ou un organe d’entraînement, un boîtier de guidage et un moteur électrique. La photo (C Fig.40) représente un type de vérin électrique pour déplacement linéaire. L’organe d’entraînement peut avoir un mouvement linéaire pour réaliser une translation ou un mouvement rotatif. Dans le cas de mouvements linéaires, l’organe d’entraînement se déplace linéairement sous l’effet d’un système vis écrou. Deux réalisations sont courantes : la vis à filet trapézoïdal et la vis à billes. La vis à filet trapézoïdal est fabriquée en acier roulé et l’écrou est en plastique. Il s’agit d’une conception relativement économique avec des propriétés favorables : plastique et métal travaillent bien conjointement sans accrochage. La vis à filet trapézoïdal a un fonctionnement silencieux, ce qui signifie qu’elle convient à des environnements de bureau, d’hôpitaux, etc. Un autre avantage intéressant est le coefficient de frottement important dans la vis à filet trapézoïdal. Cette conception est particulièrement bien adaptée aux vérins utilisés dans des applications où ils doivent être autobloquants, c’est à dire sans “recul” sous la masse de la charge. Par exemple, en utilisant un vérin pour le réglage vertical d'une table à hauteur variable, la conception avec une vis à filet trapézoïdal permet à la table de supporter de fortes charges sans modifier sa position verticale. En bref, cela signifie qu’aucun frein ou mécanisme de blocage supplémentaire n’est nécessaire pour maintenir le vérin dans sa position lorsqu’il ne fonctionne pas.

A Fig. 41

Vérin électrique à haute performance (Schneider Electric)

Le système avec vis à billes se rencontre dans les systèmes à haute performance (C Fig.41).

59

3

3. Moteurs et charges

3.8

Document SKF

Les vis à billes incorporées dans les vérins sont en acier et équipées d’une rangée de roulements situés dans un système fermé entre l’écrou et la vis.

Les vannes et vérins

La conception permet un coefficient de frottement extrêmement faible entre écrou et vis, du fait du contact roulant entre les billes, l’écrou et les pistes.

A Fig. 42

Famille de produit vérins électriques SKF

Dans des conditions de fonctionnement identique, l’usure est réduite par rapport à une vis à filet trapézoïdal, ce qui donne une longévité 10 fois supérieure pour une vis à billes. Cette durée de vie de la vis signifie également qu’elle tolère des charges importantes ainsi qu’un cycle de travail important. Grâce à son faible coefficient de frottement la vis à bille possède un rendement particulièrement élevé ce qui se traduit par un échauffement très faible. En conséquence, la vis à billes est particulièrement adaptée à des situations dans lesquelles il est nécessaire de travailler sur de longues périodes à vitesse élevée. Un vérin utilisant une vis à billes présente un jeu minimum, et sa précision est donc significativement supérieure dans des applications dans lesquelles positionnement et précision sont essentiels.

v Famille de produits Les vérins électriques peuvent être réalisés dans une multitude de dispositions mécaniques pour être incorporés aisément dans les machines. Les constructeurs proposent également des unités de contrôle qui facilitent le contrôle du vérin. La photo (C Fig.42) donne un aperçu de la gamme proposée par un constructeur (SKF).

v Guide de sélection Choisir le vérin électrique idéal demande souvent de connaître de nombreux détails de l'application ainsi que de réaliser quelques calculs. Cependant, à partir des catalogues édités par les constructeurs, il est possible de faire une première sélection de vérins qui répondent aux critères de base comme la charge et la vitesse. Motorisation des vérins et accessoires Motorisations proposées par les constructeurs.

Les vérins électriques peuvent être actionnés par des moteurs,

- à courant continu, - alternatif asynchrone, - synchrone de type brushless, - pas à pas. Les moteurs à courant continu sont en général des moteurs basse tension (12 ou 24 Volts) pour des forces moyennes (ordre de grandeur 4 000 N) et des performances modérées (ordre de grandeur 50 mm/s). On trouvera ces vérins sur des appareils mobiles et autonomes (fonctionnement sur batteries). La motorisation avec moteur asynchrone permet d’accroître sensiblement les performances jusqu’à 50 000 N et 80 mm/s. Ces vérins sont plus particulièrement installés dans les machines à poste fixe. La motorisation brushless permet d’obtenir des performances dynamiques élevées (ordre de grandeur 750 mm/s) pour des forces maximum d’environ 30 000 N. La motorisation par moteur pas à pas permet d’obtenir un positionnement précis de la charge sans bouche de retour.

60

3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vérins

v Accessoires et variantes • Contrôleur intégré Certains vérins électriques ont leur dispositif de contrôle commande intégré. C’est le cas en particulier de certains vérins pilotés par un moteur brushless. Ce type de vérins intègre le variateur de vitesse, celui-ci pouvant être relié à l’automatisme par un bus de terrain. • Potentiomètre Le potentiomètre est un capteur de déplacement. Ce dispositif permet de connaître la position du mobile et de réaliser un positionnement précis. • Protection thermique Celle-ci protège les entraînements et les unités de commande des sur échauffements. • Codeur C’est un capteur qui, lorsqu’il est connecté à une unité de commande, permet de donner la position du vérin. • Limiteurs d’efforts Certains types de vérins sont équipés d'un dispositif mécanique de sécurité similaire à un embrayage par friction afin de protéger le moteur et la réduction contre tout endommagement. • Limiteurs de fin de course C’est un interrupteur limitant le déplacement dans une direction donnée consistant dans des dispositifs mécaniques qui activés, ouvrent et ferment un contact électrique. Les limiteurs de fin de course existent dans diverses dimensions et configurations et peuvent être montés à l’intérieur ou à l’extérieur du vérin. De tels dispositifs de sécurité font partie du système de contrôle et il est important d’y prêter attention lorsque l’on utilise les vérins dans un automatisme ou avec tout autre système. • Anti-coincement mécanique Ce mécanisme de sécurité est destiné à protéger les personnes contre des efforts excessifs. • Anti-coincement électrique C’est une option de sécurité disponible sur certains vérins électriques. Elle coupe l’alimentation du moteur lorsqu’un effort externe est appliqué dans le sens opposé au déplacement du vérin.

b Les vannes Le fonctionnement des vannes sort du cadre de cet ouvrage. Cependant, les vannes pouvant être associées à des systèmes de contrôle industriel, comme par exemple des boucles de régulation ou des variateurs de vitesse, il est intéressant de connaître la constitution sommaire d’une vanne et les phénomènes engendrés par leur fonctionnement.

v Constitution d’une vanne Une vanne (C Fig.43) est constituée d’un corps et d’un clapet de fermeture qui vient s’appuyer sur un siège. Une tige de manœuvre commandée par un moteur électrique permet d’ouvrir ou de fermer le passage du fluide. Les mêmes produits existent en commande pneumatique. De nombreuses vannes sont à commande pneumatique, certaines sont à commande électrique (électrovannes). A Fig. 43

Vue en coupe d’une vanne

Il existe une multitude de conception de vannes (vannes papillon, vannes sphérique, vannes à membrane, etc.) suivant l’utilisation à la quelle elles sont destinées, le fluide qui circule et la loi de progressivité de la vanne (relation débit/position du clapet ou signal de commande dans le cas des vannes de régulation).

61

3

3. Moteurs et charges

Dh

Q

=

Q

0

• Coup de bélier Ce phénomène se rencontre dans les conduites hydrauliques, lors de la

fermeture d’une vanne d’arrêt. A ce moment, le débit à travers la conduite

est brusquement interrompu ce qui occasionne un phénomène connu

sous le nom de coup de bélier.

01s)

A Fig. 41

Caractéristiques de différents types de surtension

Ces perturbations, qui se superposent à la tension du réseau, peuvent s'appliquer selon deux modes : - mode commun, entre les conducteurs actifs et la terre, - mode différentiel, entre les différents conducteurs actifs. Dans la majeure partie des cas, les surtensions se traduisent par un claquage diélectrique au niveau des enroulements du moteur, entraînant sa destruction.

v Phases déséquilibrées Un système triphasé est déséquilibré lorsque les trois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou ne sont pas déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. A Fig. 42

Relevé de tensions d’un système triphasé déséquilibré

Le déséquilibre (C Fig. 42) peut-être provoqué par l’ouverture d’une phase (défaut de dissymétrie), par la présence de charges monophasées dans l’environnement proche du moteur, ou par la source elle-même. Le calcul du déséquilibre peut-être approché par l’équation suivante : Déséquilibré(%) = 100 x MAX

(

Vmax – Vmoy , Vmoy – Vmin Vmoy Vmoy

)

avec :

Vmax tension la plus élevée,

Vmin tension la plus faible,

(V1 + V2 + V3) Vmoy = 3 Les conséquences d’un déséquilibre des tensions appliquées à un moteur sont la diminution du couple utile et l’augmentation des pertes ; les déséquilibres se traduisent par une composante inverse qui génère de forts courants rotoriques provoquant un échauffement très important du rotor et impliquant un sur-échauffement du moteur (C Fig.43 ). Valeur du déséquilibre (%)

0

Courant statorique (A)

In

1,01 x In

1,04 x In

1,075 x In

Augmentation des pertes (%)

0

4

12,5

25

Echauffement (%)

100

105

114

128

Fig. 43

A Fig. 44

Déclassement d’un moteur en fonction d’un déséquilibre de tensions de son alimentation

2

3,5

5

Influence d’un déséquilibre de tensions sur les caractéristiques de fonctionnement d’un moteur

La norme CEI 60034-26 fournit une règle de déclassement en fonction du déséquilibre des tensions (C Fig. 44) qu’il est conseillé d’appliquer lorsque ce phénomène est connu ou prévisible sur le réseau alimentant le moteur. Ce coefficient de déclassement permet, soit de “surdimensionner” un moteur pour tenir compte du déséquilibre, soit de diminuer le courant de fonctionnement d’un moteur au regard de son courant nominal.

83

4

4. Démarrage et protection des

moteurs

4.6

Les différentes causes de défauts et leurs conséquences

v Baisses de tension et coupures Un creux de tension (C Fig. 45) est une baisse brutale de la tension en un point d’un réseau d’énergie La norme EN50160 fixe la diminution de la tension à une valeur située entre 1 et 90 % de la tension nominale pendant une durée de 1/2 période à 50 Hz soit 10 ms jusqu’à une minute.

A Fig. 45

Exemple d’un creux et d’une coupure brève de tension

Une coupure brève est un cas particulier du creux de tension. Sa profondeur est supérieure à 90 % et elle est caractérisée uniquement par sa durée (inférieure à 3 minutes). Les coupures longues sont supérieures à 3 minutes. On parle de microcoupure pour des durées de l’ordre de la milliseconde. L’origine de ces variations de tension peut être soit un phénomène aléatoire extérieur à l’exploitation (défaut sur la distribution publique ou court-circuit accidentel), soit un phénomène lié à l’installation elle-même (branchement de fortes charges telles que des moteurs, des transformateurs). L’influence des variations peut être dramatique pour le moteur lui-même. • Conséquences sur un moteur asynchrone Lors d’un creux de tension, le couple d’un moteur asynchrone (proportionnel au carré de la tension) diminue brutalement et provoque un ralentissement. Ce ralentissement est fonction de l’amplitude et de la durée du creux, de l’inertie des masses tournantes et de la caractéristique couple-vitesse de la charge entraînée. Si, à cet instant, le couple que le moteur développe devient inférieur au couple résistant, le moteur s’arrête (décrochage). Après une coupure, le retour de la tension engendre un appel de courant de ré-accélération proche du courant de démarrage et dont la durée dépend de la durée de la coupure. Lorsque l’installation comporte de nombreux moteurs, leurs ré-accélérations simultanées peuvent provoquer une chute de tension dans les impédances amont du réseau. La durée du creux est alors allongée et peut rendre la ré-accélération difficile (redémarrages longs avec sur échauffement) voire impossible (couple moteur inférieur au couple résistant). La ré-alimentation rapide (~ 150 ms) d’un moteur asynchrone en cours de ralentissement sans précaution peut conduire à un ré-enclenchement en opposition de phase entre la source et la tension résiduelle entretenue par le moteur asynchrone. Dans ce cas, la première crête du courant peut atteindre trois fois le courant de démarrage (15 à 20 In) (cf. Cahier Technique Schneider Electric n°161). Ces surintensités, et chutes de tension qui en découlent, ont plusieurs conséquences sur le moteur : - échauffements supplémentaires et efforts électrodynamiques dans les bobines pouvant engendrer des ruptures d’isolation, - à-coups avec des contraintes mécaniques anormales sur les accouplements d’où une usure prématurée voire une casse. Elles peuvent également affecter d’autres équipements tels que les contacteurs (usure voire soudure des contacts), provoquer le déclenchement des protections générales de l’installation et ainsi l’arrêt d’une chaîne de fabrication ou d’un atelier. • Conséquences sur un moteur synchrone Les conséquences sont à peu près identiques au cas des moteurs asynchrones. Les moteurs synchrones peuvent cependant, du fait de leur inertie généralement plus importante et d’une plus faible influence de la tension sur le couple, supporter des creux de tension plus importants (de l’ordre de 50 %) sans décrocher. En cas de décrochage, le moteur s’arrête, il faut alors reprendre tout le processus de démarrage qui peut-être complexe.

84

4. Démarrage et protection des

moteurs

4.6

Les différentes causes de défauts et leurs conséquences

• Conséquences sur les machines à vitesse variable Les problèmes posés par les creux de tension appliqués aux variateurs de vitesse sont : - impossibilité de fournir la tension suffisante au moteur (perte de

couple, ralentissement),

- disfonctionnement des circuits de contrôle alimentés directement par le réseau, - surintensité au retour de la tension (recharge du condensateur de filtrage des variateurs), - surintensité et déséquilibre de courant sur le réseau en cas de creux de tension sur une seule phase. Les variateurs de vitesse se mettent généralement en défaut pour une chute de tension supérieure à 15 %.

v Présence d’harmoniques Toute fonction périodique (de fréquence f) peut se décomposer en une somme de sinusoïdes de fréquence h x f (h : entier) :

Le taux de distorsion harmonique (DHT pour Distorsion Harmonique Totale) donne une mesure de la déformation du signal :

h total (h1+h5)

A Fig. 46

h1

h5

Relevé d’une tension sinusoïdale comportant des harmoniques de rang 5

Les courants et tensions harmoniques sont créés par des charges non linéaires raccordées au réseau de distribution. La distorsion harmonique (C Fig. 46) est une forme de pollution du réseau électrique susceptible de poser des problèmes pour un taux supérieur à 5 %. Les équipements d’électroniques de puissance (variateur de vitesse, onduleur, etc.) sont les principales sources injectant des harmoniques dans le réseau. Le moteur, n’étant pas parfait, peut lui même être à l’origine d’harmonique de rang 3 ; dans le cas d’un couplage en triangle un rééquilibrage du flux peut alors apparaître générant un courant dans ses enroulements. La présence d’harmonique provoque, dans les moteurs, une augmentation des pertes par courants de Foucault d’où des échauffements supplémentaires. Ils peuvent également engendrer des couples pulsatoires (vibrations, fatigue mécanique), des nuisances sonores et limiter l’emploi des moteurs à pleine charge (cf. Cahiers Techniques Schneider-Electric n° 199).

85

4

4. Démarrage et protection des

moteurs

4.6

Les différentes causes de défauts et leurs conséquences

b Les défauts externes au moteur : phénomènes liés à l’exploitation du moteur v Démarrage trop long et/ou trop fréquent La phase de démarrage d’un moteur correspond à la durée qui lui est nécessaire pour atteindre sa vitesse de rotation nominale.

Le temps de démarrage (tD) dépend du couple résistant (Cr) et du couple

moteur (Cm).

avec

J : moment d’inertie global des masses en mouvement,

N(tr.s-1) : vitesse de rotation du rotor.

Compte tenu de ses caractéristiques intrinsèques, chaque moteur ne peut

supporter qu’un nombre limité de démarrages, généralement précisé par

son fabricant (nombre de démarrages par heure).

A Fig. 47

Temps de démarrage admissible des moteurs en fonction du rapport courant de démarrage sur courant nominal

De même, chaque moteur a un temps de démarrage fonction de son

courant de démarrage (C Fig. 47).

v Blocage du rotor Le blocage d’un moteur, pour une cause mécanique, provoque une surintensité sensiblement égale au courant de démarrage. Mais l’échauffement qui en résulte est beaucoup plus important car les pertes dans le rotor sont maintenues à leur valeur maximale durant tout le blocage et la ventilation est supprimée si celle-ci est liée à la rotation du rotor. Les températures rotoriques peuvent devenir très importantes (350 C).

v Surcharge (ralentissement ou survitesse) La surcharge d’un moteur est provoquée par une augmentation du couple résistant ou par une baisse de la tension réseau (> 10 % de Un). L’augmentation du courant consommé par le moteur engendre un échauffement qui réduit sa durée de vie et peut lui être fatal à plus ou moins long terme.

b Synthèse Cette synthèse réalisée sous la forme du tableau de la figure 48 présente pour chaque type de défaut ses origines possibles, ses effets probables et les conséquences avérées. Dans tous les cas, deux protections sont toujours nécessaires pour les moteurs : - protection contre les courts-circuits, - protection contre les surcharges (sur-échauffement). Défauts Court circuit

Surtension

Déséquilibre de tension Baisse et creux de tension Harmoniques

Origines

Effets

• Mise en contact de plusieurs phases, d'une phase et du neutre ou de plusieurs spires • Foudre • Décharge électrostatique • Manœuvre • Ouverture d'une phase • Charge monophasé en amont du moteur • Instabilité de la tension du réseau • Branchement de fortes charges • Polution du réseau par variateurs de vitesse, onduleurs, etc ...

• Pointe de courant • Efforts électrodynamiques sur les conducteurs • Claquage diélectrique au niveau des enroulements

86

• Destruction des enroulements par perte d'isolation

• Diminution du couple utile

• Sur-échauffement(*)

• Diminution du couple utile • Augmentation des pertes • Diminution du couple utile • Augmentation des pertes • Augmentation du temps de démarrage

• Sur-échauffement(*)

Démarrage trop long • Couple résistant trop important • Baisse de tension Blocage • Problème mécanique • Surintensité • Augmentation du • Augmentation du Surcharge couple résistant courant consommé • Baisse de tension (*) Puis, à plus ou moins long terme, selon l’importance du défaut et/ou court-circuit et destruction des enroulements.

A Fig.48

Conséquences sur le moteur • Destruction des enroulements

• Sur-échauffement(*)

• Sur-échauffement(*) • Sur-échauffement(*) • Sur-échauffement(*) sa fréquence,

Synthèse des défauts possibles pour un moteur avec leurs origines, effets et conséquences

4. Démarrage et protection des

moteurs

4.7

4.7

Les fonctions et les produits de protection

Les fonctions et les produits de protection b Protection contre les courts-circuits v Généralités Un court-circuit est une mise en relation directe de deux points qui sont à des potentiels électriques différents : - en courant alternatif : liaison entre phases, entre phase et neutre, entre phase et masse conductrice ou entre spires d’une même phase, - en courant continu : liaison entre les deux polarités ou entre une masse conductrice et la polarité qui en est isolée. Diverses causes sont possibles : détérioration du vernis isolant des conducteurs, desserrage, rupture ou dénudage de fils ou de câbles, présence de corps métalliques étrangers, dépôts conducteurs (poussières, humidité, etc.), pénétration d’eau ou d’autres liquides conducteurs, détérioration du récepteur, erreur de câblage à la mise en route ou lors d’une intervention. Un court-circuit se traduit par une augmentation brutale du courant qui peut atteindre en quelques millisecondes une valeur égale à plusieurs centaines de fois le courant d’emploi. Un court-circuit peut avoir des effets dévastateurs et provoquer des détériorations importantes sur le matériel. Il se caractérise par deux phénomènes : • Un phénomène thermique Il correspond à la quantité d'énergie libérée dans le circuit électrique parcouru par le courant de court-circuit I durant un temps t selon la 2 formule I2t et exprimée en A s. Cet effet thermique peut provoquer : - la fusion des contacts du contacteur, - la destruction des éléments thermiques d’un relais à bilame si la

coordination est de type I,

- la génération d’arcs électriques, - la calcination des matériaux isolants, - l’incendie dans l’équipement. • Un phénomène électrodynamique Il se traduit entre les conducteurs par des efforts mécaniques intenses, provoqués par le passage du courant avec les manifestations suivantes : - déformation des conducteurs formant les enroulements du moteur, - casse des supports isolants des conducteurs, - répulsion des contacts (à l’intérieur des contacteurs) pouvant entraîner leur fusion et leur soudure. De telles manifestations sont dangereuses à la fois pour les biens et pour les personnes. Il est donc impératif d’utiliser contre les courts-circuits des dispositifs de protection chargés de détecter le défaut, et d’interrompre le circuit très rapidement, avant que le courant n’atteigne sa valeur maximale. Pour cela, deux dispositifs de protection sont communément employés : - les fusibles (coupe-circuits) qui interrompent le circuit par leur fusion, laquelle nécessite ensuite leur remplacement, - les disjoncteurs à déclencheur magnétique, souvent dénommés plus simplement “disjoncteurs magnétiques”, qui interrompent automatiquement le circuit par ouverture de leurs pôles et dont la remise en service ne nécessite qu’une manœuvre de ré-enclenchement. La protection contre les courts-circuits peut aussi être intégrée à des appareils à fonctions multiples tels que les disjoncteurs-moteurs et les contacteurs-disjoncteurs.

87

4

4. Démarrage et protection des

moteurs

Pouvoir de coupure (PC)

Cos ϕ

Pouvoir de fermeture (PF)

4.5kA < PC < 6kA

0.7

1.5 PC

6kA < PC < 10kA

0.5

1.7 PC

10kA < PC < 20kA

0.3

2 PC

20kA < PC < 50kA

0.25

2.1 PC

50kA < PC

0.2

2.2 PC

A Fig. 49

Pouvoirs de coupure et de fermeture, fixés par la norme CEI 60947-2 pour les disjoncteurs

4.7

Les fonctions et les produits de protection

v Définitions et caractéristiques Les principales caractéristiques des protections contre les courts-circuits sont : - leur pouvoir de coupure : c’est la plus grande valeur du courant

présumé de court-circuit qu’un appareil de protection peut

interrompre sous une tension donnée,

- leur pouvoir de fermeture : c’est la plus grande valeur du courant que l’appareil de protection peut établir sous sa tension nominale dans des conditions spécifiées. Le pouvoir de fermeture est égal à k fois le pouvoir de coupure selon le tableau de la figure 49.

v Les fusibles (coupe-circuits) Les fusibles réalisent une protection phase par phase (unipolaire), avec un pouvoir de coupure important sous un faible volume. Ils assurent la limitation des I2t et des contraintes électrodynamiques (Icrête). Ils se montent : - soit sur des supports spécifiques appelés porte-fusibles, - soit dans des sectionneurs en remplacement des douilles ou des barrettes (C Fig. 50). A noter que des cartouches fusibles munies d’un percuteur peuvent être associées à un dispositif de coupure omnipolaire (souvent le contacteur de commande du moteur) pour empêcher la marche en monophasé lors de leur fusion.

A Fig. 50

Sectionneurs 32 et 125 A à fusibles (LS1-D32 et GS1-K4 - Telemecanique)

Pour la protection des moteurs, les fusibles utilisés sont ceux de type aM. Leur particularité est de laisser passer les surintensités du courant magnétisant à la mise sous tension des moteurs. De fait, ils ne sont pas adaptés à la protection contre les surcharges (contrairement aux fusibles de type gG). C’est pourquoi, il est nécessaire d’ajouter un relais de surcharge dans le circuit d’alimentation des moteurs. En général, leur calibre doit être immédiatement supérieur au courant de pleine charge du moteur à protéger.

v Les disjoncteurs magnétiques Ces disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure et

par l’intermédiaire de leurs déclencheurs magnétiques (un par phase), la

protection des installations contre les courts-circuits (C Fig. 51).

Les disjoncteurs magnétiques réalisent d’origine une coupure

omnipolaire : le fonctionnement d’un seul déclencheur magnétique suffit à

commander l’ouverture simultanée de tous les pôles.

A Fig. 51

Disjoncteur magnétique GV2-L (marque Telemecanique) et son symbole graphique

Pour des courants de court-circuit peu élevés, le fonctionnement des

disjoncteurs est plus rapide que celui des fusibles.

Cette protection est conforme à la norme CEI 60947-2.

Pour interrompre efficacement un courant de court circuit, trois impératifs

doivent être respectés :

- détecter très tôt le courant de défaut, - séparer très vite les contacts, - interrompre le courant de court-circuit. La plupart des disjoncteurs magnétiques pour protéger les moteurs sont limiteurs et contribuent ainsi à la coordination (C Fig.52). Leur durée de coupure particulièrement brève leur permet d’interrompre le courant de

court-circuit avant qu’il n’atteigne son amplitude maximale.

De fait, les effets thermiques et électrodynamiques sont aussi limités,

d’où une meilleure protection des câbles et de l’appareillage.

A Fig. 52

88

Courbes de déclenchement des disjoncteurs magnétiques

4. Démarrage et protection des moteurs

4.7

Les fonctions et les produits de protection

b Protection contre les surcharges v Généralités La surcharge est le défaut le plus fréquent sur les moteurs. Elle se manifeste par une augmentation du courant absorbé par le moteur et par des effets thermiques. La classe d’isolation détermine l’échauffement normal d’un moteur à une température ambiante de 40°C. Tout dépassement de la température limite de fonctionnement conduit à une réduction de la durée de vie par vieillissement prématuré des isolants. Notons toutefois qu’une surcharge conduisant à un échauffement supérieur à la normale n’aura pas d’effets néfastes immédiats si elle est limitée dans le temps et peu fréquente. Elle n’implique donc pas nécessairement un arrêt du moteur, mais il est important de revenir rapidement à des conditions de fonctionnement normales. L’importance d’une bonne protection contre les surcharges est donc évidente : - elle préserve la durée de vie des moteurs en interdisant leur fonctionnement dans des conditions anormales d’échauffement, - elle assure la continuité d’exploitation en : - évitant des arrêts intempestifs des moteurs, - permettant, après déclenchement, un redémarrage dans les

meilleures conditions de sécurité pour les hommes et les

équipements.

Les conditions réelles d'emploi (température ambiante, altitude d'utilisation et service normalisé) sont essentielles pour déterminer les valeurs d'emploi du moteur (puissance, courant) et pour pouvoir choisir une protection efficace contre les surcharges (C Fig.53). Ces valeurs d'emploi sont fournies par le constructeur du moteur. Altitude m

30°C

35°C

Température ambiante 40°C 45°C 50°C

55°C

60°C

1000

1.07

1.04

1.00

0.96

0.92

0.87

0.82

1500

1.04

1.01

0.97

0.93

0.89

0.84

0.79

2000

1.01

0.98

0.94

0.90

0.86

0.82

0.77

2500

097

0.95

0.91

0.87

0.84

0.79

0.75

3000

0.93

0.91

0.87

0.84

0.80

0.76

0.71

3500

0.89

0.86

0.83

0.80

0.76

0.72

0.68

4000

0.83

0.81

0.78

0.75

0.72

0.68

0.64

Les valeurs du tableau ci-dessus sont données à titre indicatif. En effet, le déclassement d'un moteur est fonction de sa taille, de sa classe d'isolation, du mode de construction (moteur auto ventilé ou moto ventilé, degré de protection IP 23, IP 44, etc.), et varie suivant les fabricants. La valeur de puissance nominale qui apparaît généralement sur la plaque d’un moteur est définie par le constructeur pour un service continu S1 (fonctionnement à régime constant et d'une durée suffisante pour atteindre l'équilibre thermique). Il existe d'autres services normalisés, tel que le service temporaire S2, ou les services intermittents périodiques S3, S4, et S5 pour lesquels le constructeur d'un moteur définit, dans chaque cas, une puissance d'emploi différente de la puissance nominale. A Fig. 53

Coefficients de déclassement des moteurs selon leurs conditions d'emploi

Selon le niveau de protection souhaité, la protection contre les surcharges peut-être réalisée par des relais : - de surcharge, thermique (bilames) ou électroniques, qui au minimum protègent les moteurs dans les deux cas suivants : - surcharge, par le contrôle du courant absorbé sur chacune des phases, - déséquilibre ou absence de phases, par son dispositif différentiel, - à sondes à thermistances CTP (à Coefficient de Température Positif), - de sur-couple, - multifonctions. 89

4

4. Démarrage et protection des

moteurs

4.7

Les fonctions et les produits de protection

Un relais de protection n’a pas de fonction de coupure. Il est destiné à commander l’ouverture d’un appareil de coupure, appareil qui doit avoir le pouvoir de coupure requis pour le courant de défaut à interrompre, en général un contacteur. A cet effet, les relais de protection disposent d’un contact de défaut (NC) qui est à placer en série avec l'alimentation de la bobine du contacteur.

v Les relais de surcharge (thermiques ou électroniques) • Généralités Ces relais protègent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent admettre la surcharge temporaire due au démarrage, et ne déclencher que si le démarrage est anormalement long. Selon les applications, la durée de démarrage des moteurs peut varier de quelques secondes (démarrage à vide, couple résistant peu élevé, etc.) à quelques dizaines de secondes (couple résistant important, forte inertie de la charge entraînée, etc.). Il est donc nécessaire de disposer de relais adaptés à la durée de démarrage. Pour répondre à ce besoin, la norme CEI 60947-4-1 définit plusieurs classes de relais de surcharge caractérisées chacune par leur temps de déclenchement (C Fig.54). Temps de déclenchement à partir de l’état : Froid Chaud Chaud Froid à 1,05 x Ir à 1,2 x Ir à 1,5 x Ir à 7,2 x Ir Classe 10 A 10 20 30(*)

>2h >2h >2h >2h

CC) comportant un pont mixte à diodes et thyristors (C Fig.12a I), - un moteur à courant alternatif, avec un convertisseur indirect (avec transformation intermédiaire en courant continu) comportant en entrée un pont de diodes suivi d’un convertisseur de fréquence qui fait fonctionner la machine dans le quadrant 1 (C Fig.12a II). Dans certains cas, ce montage peut être exploité en bidirectionnel (quadrants 1 et 3). Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et une résistance correctement dimensionnée convient parfaitement pour un freinage momentané (ralentissement ou sur un engin de levage quand le moteur doit développer un couple de freinage en descente pour retenir la charge).

I

II

A Fig. 12a

LSchémas de principe : [I] convertisseur direct à pont mixte ; [II] convertisseur indirect avec (1) pont de diodes en entrée, (2) dispositif de freinage (résistance et hacheur), (3) convertisseur de fréquence

En cas de fonctionnement prolongé avec une charge entraînante, un convertisseur réversible est indispensable car la charge restitue de la puissance en permanence, exemple : un moteur utilisé en frein sur un banc d’essai. • Variateur bidirectionnel Ce type de variateur peut être un convertisseur réversible ou non réversible. S’il est réversible, la machine fonctionne dans les quatre quadrants (C Fig.11) et peut permettre le fonctionnement en freinage permanent. S’il est non réversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3. La conception et le dimensionnement du variateur ou du démarreur sont directement affectés par la nature de la charge entraînée. En particulier en ce qui concerne les capacités de fournir un couple suffisant pour la mise en vitesse. Les différentes familles de machines et leurs courbes caractéristiques sont traitées dans le chapitre Moteurs et charges.

v Les principaux types de variateurs Seuls les variateurs les plus courants et les réalisations technologiques

usuelles sont cités dans cette section.

Il existe, en effet, de nombreux schémas de variateurs de vitesse

électroniques :

- cascade hyposynchrone, - cycloconvertisseurs, - commutateurs de courant, hacheurs, etc. Le lecteur intéressé trouvera une description exhaustive dans les ouvrages Entraînement électrique à vitesse variable Bonal (Jean) et Séguier (Guy), Ed. Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs à courant alternatif Bonal (Jean), Ed. Tec et Doc.

108

5 - Départs moteurs

5.5

Les variateurs de vitesse

• Redresseur contrôlé pour moteur à courant continu Il fournit, à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, un courant continu avec un contrôle de la valeur moyenne de la tension.

Les semi-conducteurs de puissance sont assemblés en pont de Graëtz,

monophasé ou triphasé (C Fig.12b). Le pont peut être mixte (diodes /

thyristors) ou complet (tout thyristor).

A Fig. 12b

LSchéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu

Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleur

facteur de forme du courant délivré.

Le moteur à courant continu est le plus souvent à excitation séparée, sauf

dans les petites puissances où les moteurs à aimants permanents sont

assez fréquents.

L’utilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adaptée pour toute

application. Les seules limites sont imposées par le moteur à courant

continu, en particulier la difficulté d’obtention de vitesses élevées et la

nécessité de maintenance (remplacement des balais).

Les moteurs à courant continu et leur variateurs associés ont été les

premières solutions industrielles. Depuis plus d’une décennie, leur usage

est en constante diminution au profit des convertisseurs de fréquence. En

effet, le moteur asynchrone est à la fois plus robuste et plus économique

qu’un moteur à courant continu. Contrairement aux moteurs à courant

continu, standardisés en enveloppe IP55, il est aussi pratiquement

insensible à l’environnement (ruissellement, poussières, ambiances

dangereuses, etc.).

• Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Il fournit, à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tension alternative triphasée de valeur efficace et de fréquence variable (C Fig.13). L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà.

A Fig. 13

LSchéma de principe d’un convertisseur de fréquence

Certains variateurs de petite puissance acceptent indifféremment des tensions d’alimentation monophasées et triphasées. La tension de sortie du variateur est toujours triphasée. De fait, les moteurs asynchrones monophasés sont mal adaptés à l’alimentation par convertisseur de fréquence. Les convertisseurs de fréquence alimentent des moteurs à cage standard avec tous les avantages liés à ces moteurs : standardisation, faible coût, robustesse, étanchéité, aucun entretien. Ces moteurs étant auto-ventilés, leur seule limite d’emploi est leur utilisation prolongée à basse vitesse en raison de la réduction de cette ventilation. Si un tel fonctionnement est souhaité, il faut prévoir un moteur spécial équipé d’une ventilation forcée indépendante. • Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchrones Ce type de variateur (connu également sous le nom de soft starter, voir

également le chapitre Moteurs et Charges) est presque exclusivement

utilisé pour le démarrage des moteurs. Par le passé, associé à des

moteurs spéciaux (moteurs à cage résistante), il était utilisé pour réaliser

la variation de vitesse de ces moteurs.

Ce dispositif fournit, à partir d’un réseau alternatif, une tension variable de

même fréquence.

Le schéma le plus usuel comporte deux thyristors montés tête-bêche

dans chaque phase du moteur (C Fig.14).

Le même gradateur peut être utilisé pour réaliser une décélération

programmée.

Une fois le démarrage effectué, le gradateur peut être court cicuité par un

contacteur et être utilisé pour le démarrage d’un autre moteur.

A Fig. 14

LDémarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation

Ce type d’utilisation est fréquent dans les stations de pompage, un seul

démarreur étant utilisé pour mettre en service une pompe supplémentaire

en fonction des besoins du réseau d’utilisation. Le schéma de principe

est exposé dans le chapitre Moteurs et charges.

109

5

5 - Départs moteurs

5.6

5.6

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques b Structure Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques sont composés de deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe (C Fig.15) : - un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil, - un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique.

v Le module de contrôle Sur les démarreurs et les variateurs modernes, toutes les fonctions sont commandées par un microprocesseur qui exploite les réglages, les ordres transmis par un opérateur ou par une unité de traitement, et les résultats de mesure comme la vitesse, le courant, etc. Les capacités de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits dédiés (ASIC) ont permis de réaliser des algorithmes de commandes extrêmement performants et, en particulier, la reconnaissance des paramètres de la machine entraînée. A partir de ces informations, le microprocesseur gère les rampes d’accélération et de décélération, l’asservissement de vitesse, la limitation de courant, et génère la commande des composants de puissance. Les protections et les sécurités sont traitées par des circuits spécialisés (ASIC) ou intégrées dans les modules de puissance (IPM). Les réglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font soit par claviers intégrés, soit à partir d’automates par des bus de terrain ou de PC pour charger des réglages standard. De même, les différents ordres (marche, arrêt, freinage, etc.) peuvent être donnés à partir d’interfaces de dialogue homme/machine, par des automates programmables ou par des PC. Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés par des voyants, des diodes électroluminescentes, des afficheurs à segments ou à cristaux liquides, ou déportés vers des superviseurs par des bus de terrains. Des relais, souvent programmables, donnent des informations de : - défaut (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge, etc.), - surveillance (seuil de vitesse, pré alarme, fin de démarrage). A Fig. 15

LStructure générale d’un variateur de vitesse électronique

Les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle sont fournies par une alimentation intégrée au variateur et séparée galvaniquement du réseau.

v Le module de puissance Le module de puissance est principalement constitué de : - composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.), - interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, - et fréquemment d’un ensemble de ventilation. • Les composants de puissance Les composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux états : passant ou bloqué. Ces composants, associés dans un module de puissance, constituent un convertisseur qui alimente, à partir du réseau à tension et fréquence fixes, un moteur électrique sous une tension et/ou une fréquence variable. Les composants de puissance sont la clef de voûte de la variation de vitesse et les progrès réalisés ces dernières années ont permis la réalisation de variateurs de vitesse économiques. Les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une résistivité qui se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.

110

5 - Départs moteurs

5.6

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

Leurs atomes possèdent 4 électrons périphériques. Chaque atome s’associe avec 4 atomes voisins pour former une structure stable à 8 électrons. Un semi-conducteur de type P s’obtient en incorporant au silicium pur une faible proportion d’un corps dont les atomes possèdent 3 électrons périphériques. Il manque donc un électron pour former une structure à 8 électrons, ce qui se traduit par un excédent de charges positives. Un semi-conducteur de type N s’obtient en incorporant un corps dont les atomes ont 5 électrons périphériques. Il y a donc un excédent d’électrons, c’est-à-dire un excédent de charges négatives. La diode (C Fig.16a) La diode est un semi-conducteur non contrôlé comportant deux régions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de l’anode vers la cathode. Elle conduit quand l’anode est à une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur fermé. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension d’anode devient moins positive que celle de la cathode. A Fig. 16a

L

La diode possède les caractéristiques principales suivantes : • à l’état passant : - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une

résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur,

jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

5

• à l’état bloqué : - une tension maximale admissible qui peut dépasser 5 000 V crête. Le thyristor (C Fig.16b) C’est un semi-conducteur contrôlé constitué de quatre couches

alternées : P-N-P-N. Il se comporte comme une diode par l’envoi d’une

impulsion électrique sur une électrode de commande appelée gâchette

ou « gate ». Cette fermeture (ou allumage) n’est possible que si l’anode

est à une tension plus positive que la cathode.

Le thyristor se bloque quand le courant qui le traverse s’annule.

A Fig. 16b

L

L’énergie d’allumage à fournir sur la « gate » n’est pas liée au courant à

commuter, et il n’est pas nécessaire de maintenir un courant dans la

gâchette pendant la conduction du thyristor.

Le thyristor possède les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant : - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une

résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur,

jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

• à l’état bloqué : - une tension inverse et directe maximale admissible (pouvant dépasser 5 000 V crête), - en général les tensions directes et inverses sont identiques, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel une tension anode cathode positive ne peut être appliquée au composant sous peine de le voir se réamorcer spontanément, - un courant de gâchette permettant l’allumage du composant. Il existe des thyristors destinés à fonctionner à la fréquence du réseau, d’autres dits « rapides » pouvant fonctionner à quelques kilohertz, en disposant d’un circuit d’extinction. Les thyristors rapides ont parfois des tensions de blocage directe et inverse dissymétriques. En effet dans les schémas usuels, ils sont souvent associés à une diode connectée en antiparallèle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent

111

5 - Départs moteurs

5.6

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

cette particularité pour augmenter la tension directe que le composant peut supporter à l’état bloqué. Ces composants sont maintenant complètement supplantés par le GTO, les transistors de puissance et surtout les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

A Fig. 16c

L

Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (C Fig.16c) C’est une variante du thyristor rapide qui présente la particularité de pouvoir être bloqué par sa gâchette. Un courant positif envoyé dans la gâchette ou « gate » entraîne la mise en conduction du semi-conducteur à condition que l’anode soit à une tension plus positive que la cathode.

Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le

courant de gâchette doit être maintenu. Ce courant est en général très

inférieur à celui nécessaire pour initialiser la mise en conduction.

Le blocage s’effectue en inversant la polarité du courant de gâchette.

Le GTO est utilisé sur les convertisseurs de très forte puissance, car il est capable de maîtriser les fortes tensions et intensités (jusqu’à 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à s’amenuiser. Le thyristor GTO possède les caractéristiques principales suivantes : • à l’état passant : - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne, - un courant de maintien de gâchette (ou gate) destiné à réduire la chute de tension directe, - un courant maximum permanent admissible, - un courant de blocage pour provoquer l’interruption du courant. • à l’état bloqué : - des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent dissymétriques, comme avec les thyristors rapides et pour les mêmes raisons, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant d’extinction doit être maintenu sous peine de le voir se réamorcer spontanément, - un courant de gâchette permettant l’allumage du composant. Les GTO peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz. Le transistor (C Fig.16d) C’est un semi-conducteur bipolaire contrôlé constitué de trois régions alternées P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de l’émetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteur vers l’émetteur en technologie N-P-N. Les transistors de puissance capables de fonctionner sous des tensions industrielles sont du type N-P-N, souvent montés en « Darlington ». Le transistor est un amplificateur de courant.

A Fig. 16d

L

La valeur du courant qui le traverse est fonction du courant de commande circulant dans sa base. Mais il peut également fonctionner en tout ou rien comme interrupteur statique : ouvert en l’absence de courant de base et fermé injectant dans la base un courant suffisant pour le maintenir en état de saturation. C’est ce deuxième mode de fonctionnement qui est utilisé dans les circuits de puissance des variateurs. Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu’à 1 200 V et

acceptent des courants pouvant atteindre 800 A.

Ce composant est aujourd’hui remplacé dans les convertisseurs par

l’IGBT.

Dans le fonctionnement qui nous intéresse, le transistor bipolaire possède

les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant : - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne, - un courant maximum permanent admissible,

112

5 - Départs moteurs

5.6

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

- un gain en courant β (pour maintenir le transistor saturé, le courant injecté dans la base doit être supérieur au courant qui circule dans le composant, divisé par le gain). • à l’état bloqué : - une tension directe maximale admissible. Les transistors de puissance utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz. L’IGBT (C Fig.16e) C’est un transistor de puissance commandé par une tension appliquée à

une électrode appelée grille ou « gate » isolée du circuit de puissance,

d’où son nom « Insulated Gate Bipolar Transistor ».

Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler des

courants importants.

A Fig. 16e

L

C’est aujourd’hui le composant utilisé en interrupteur tout ou rien dans la

majorité des convertisseurs de fréquence jusqu’à des puissances élevées

(de l’ordre du MW).

Ses caractéristiques tension courant sont similaires à celles des

transistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande

et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous les

autres semi-conducteurs.

Les caractéristiques des IGBT progressent très rapidement et des

composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines

d’ampères) sont actuellement disponibles.

Le transistor IGBT possède les caractéristiques principales suivantes :

• une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. • à l’état passant : - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une

résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible.

• à l’état bloqué : - une tension directe maximale admissible. Les transistors IGBT utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques dizaines de kilohertz. Le transistor MOS (C Fig.16f) Ce composant fonctionne de manière différente des précédents, par modification du champ électrique dans un semi-conducteur obtenue en polarisant une grille isolée, d’où l’appellation : « Métal Oxyde Semi­ conducteur ».

A Fig. 16f

L

Son usage en variation de vitesse est limité aux utilisations en basse tension (variateurs de vitesse alimentés par batterie) ou de faible puissance, car la surface de silicium nécessaire à l’obtention d’une tension de blocage élevée avec une faible chute de tension à l’état passant est économiquement irréalisable. Le transistor MOS possède les caractéristiques principales suivantes : • une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. • à l’état passant : - une résistance interne, - un courant maximum permanent admissible. • à l’état bloqué : - une tension directe maximale admissible (pouvant dépasser 1 000 V). Les transistors MOS utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve de manière quasi universelle dans les étages d’alimentation à découpage, sous la forme de composants discrets ou d’un circuit intégré comportant la puissance (MOS) et les circuits de commande et régulation. 113

5

5 - Départs moteurs

5.6 5.7

Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques Variateur-régulateur pour moteur courant continu

L’IPM (Intelligent Power Module) Ce n’est pas à proprement parler un semi-conducteur, mais un assemblage (C Fig.17) qui regroupe un pont onduleur à transistors de puissance IGBT et leur électronique de commande bas niveau.

A Fig. 17

LModule IPM (Intelligent Power Module)

Sont réunis dans un même boîtier compact : - 7 composants IGBT, dont six pour le pont onduleur et un pour le freinage,

- les circuits de commande des IGBT,

- 7 diodes de puissance de roue libre associées aux IGBT pour

permettre la circulation du courant,

- des protections contre les courts-circuits, les surintensités et les

dépassements de température,

- l’isolation galvanique de ce module. Le pont redresseur à diodes est le plus souvent intégré à ce même module. Cet assemblage permet de maîtriser au mieux les contraintes de câblage et de commande des IGBT.

5.7

Variateur-régulateur pour moteur courant continu b Principe général L’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu est le groupe Ward Leonard (C chapitre 3 Moteurs et charges). Ce groupe, constitué d’un moteur d’entraînement, généralement asynchrone, et d’une génératrice à courant continu à excitation variable, alimente un ou des moteurs à courant continu. L’excitation est réglée par un dispositif électromécanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), ou par un système statique (amplificateur magnétique ou régulateur électronique). Ce dispositif est aujourd’hui totalement abandonné au profit des variateurs de vitesse à semi-conducteurs qui réalisent de manière statique les mêmes opérations avec des performances supérieures. Les variateurs de vitesse électroniques sont alimentés sous une tension fixe à partir du réseau alternatif et fournissent au moteur une tension continue variable. Un pont de diodes ou un pont à thyristors, en général monophasé, permet l’alimentation du circuit d’excitation. Le circuit de puissance est un redresseur. La tension à délivrer devant être variable, ce redresseur doit être du type contrôlé, c’est-à-dire comporter des composants de puissance dont la conduction peut être commandée (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demi­ période. Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demi­ période, plus la valeur moyenne de la tension est réduite et, de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (rappelons que l’extinction d’un thyristor intervient automatiquement quand le courant passe par zéro). Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs alimentés par une batterie d’accumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitué de transistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortie en ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement est dénommé MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion).

114

5 - Départs moteurs

5.7

Variateur-régulateur pour moteur courant continu

b Régulation La régulation consiste à maintenir avec précision la vitesse à la valeur imposée en dépit des perturbations (variation du couple résistant, de la tension d’alimentation et de la température). Toutefois, lors des accélérations ou en cas de surcharge, I’intensité du courant ne doit pas atteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositif d’alimentation. Une boucle de régulation interne au variateur maintient le courant à une valeur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre l’ajustement en fonction des caractéristiques du moteur. La vitesse de consigne est fixée par un signal, analogique ou numérique, transmis par l’intermédiaire d’un bus de terrain ou par tout autre dispositif qui délivre une tension image de cette vitesse désirée. La référence peut être fixe ou varier au cours du cycle de fonctionnement de la machine entraînée. Des rampes d’accélération et de décélération réglables appliquent de façon progressive la tension de référence correspondant à la vitesse désirée. L’évolution de cette rampe peut suivre toutes les formes voulues. Le réglage des rampes définit la durée de l’accélération et du ralentissement.

5

En boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par une dynamo tachymétrique ou un générateur d’impulsions (C chapitre 6 Acquisitions de données) et comparée à la référence. Si un écart est constaté, l’électronique de contrôle réalise une correction de la vitesse. La gamme de vitesse s’étend de quelques tours par minute jusqu’à la vitesse maximale. Dans cette plage de variation, on obtient aisément des précisions meilleures que 1 % en régulation analogique et mieux que 1 / 1 000 en régulation numérique. En cumulant toutes les variations possibles (vide/charge, variation de tension, de température, etc.), cette régulation peut également être effectuée à partir de la mesure de la tension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse. Les performances sont dans ce cas nettement inférieures, à la fois en gamme de vitesse et en précision (quelques % entre marche à vide et marche en charge).

b Inversion du sens de marche et freinage par récupération d’énergie Pour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension d’induit. Ceci peut être réalisé à l’aide de contacteurs (cette solution est maintenant abandonnée) ou en statique par inversion de la polarité de sortie du variateur de vitesse ou de la polarité du courant d’excitation. Cette dernière solution est peu usitée en raison de la constante de temps de l’inducteur.

A Fig. 18

LSchéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu

Lorsqu’un freinage contrôlé est désiré ou que la nature de la charge l’impose (couple entraînant), il faut renvoyer l’énergie au réseau. Pendant le freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en d’autres termes la puissance qui transite est négative. Les variateurs capables d’effectuer ces deux fonctionnements (inversion et freinage par récupération d’énergie) sont dotés de deux ponts connectés en antiparallèle (C Fig.18). Chacun de ces ponts permet d’inverser la tension, le courant ainsi que le signe de l’énergie qui circule entre le réseau et la charge.

115

5 - Départs moteurs

5.7 5.8

Variateur-régulateur pour moteur courant continu Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

b Modes de fonctionnement possibles La nature des charges est évoquée avec plus de détails dans le chapitre 3 Moteurs et charges. En ce qui concerne le fonctionnement du moteur à courant continu, nous aborderons le fonctionnement « à couple constant » et le fonctionnement à « puissance constante ».

v Fonctionnement dit à « couple constant » À excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension appliquée à l’induit du moteur. La variation de vitesse est possible depuis l’arrêt jusqu’à la tension nominale du moteur qui est choisie en fonction de la tension alternative d’alimentation. Le couple moteur est proportionnel au courant d’induit et le couple nominal de la machine peut être obtenu de manière continue à toutes les vitesses.

v Fonctionnement dit à « puissance constante » Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en réduisant le courant d’excitation. Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseur contrôlé alimentant le circuit d’excitation. La tension d’induit reste alors fixe et égale à la tension nominale et le courant d’excitation est ajusté pour obtenir la vitesse souhaitée. La puissance a pour expression : P=E.I avec

E sa tension d’alimentation,

I le courant d’induit.

La puissance, pour un courant d’induit donné, est donc constante sur

toute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limitée par deux

paramètres :

- la limite mécanique liée à l’induit et en particulier la force centrifuge maximale pouvant être supportée par le collecteur, - les possibilités de commutation de la machine, en général plus restrictives. Le fabricant du moteur doit donc être sollicité pour bien choisir un moteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse à puissance constante.

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Le variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mêmes principes de base que le variateur pour moteur à courant continu. L’apparition sur le marché de variateurs de vitesse économiques pour moteur asynchrone est assez récente. En France, Telemecanique a été une des compagnies pionnières en la matière. L’évolution des technologies a permis la réalisation de variateurs économiques fiables et performants.

b Principe général Le convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes par le réseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constant quelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant. Ceci nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément et dans les mêmes proportions. 116

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

b Constitution

A Fig. 19

LSchéma de principe d’un convertisseur de fréquence

Le circuit de puissance est constitué par un redresseur et un onduleur qui, à partir de la tension redressée, produit une tension d’amplitude et fréquence variables (C Fig. 19). Pour respecter la directive CE - Communauté Européenne - et les normes associées, un filtre « réseau » est placé en amont du pont redresseur.

v Le redresseur Le redresseur est en général équipé d’un pont redresseur à diodes et d’un circuit de filtrage constitué d’un ou plusieurs condensateurs en fonction de la puissance. Un circuit de limitation contrôle l’intensité à la mise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont à thyristors pour limiter le courant d’appel de ces condensateurs de filtrage qui sont chargés à une valeur sensiblement égale à la valeur crête de la sinusoïde réseau (environ 560 V en 400 V triphasé). Malgré la présence de circuits de décharge, ces condensateurs sont susceptibles de conserver une tension dangereuse en l’absence de tension réseau. Une intervention à l’intérieur d’un tel produit ne doit donc être effectuée que par des personnes formées et connaissant bien les précautions indispensables à mettre en place (circuit de décharge additionnel ou connaissance du temps d’attente).

v L’onduleur Le pont onduleur, connecté à ces condensateurs, utilise six semi­ conducteurs de puissance (en général des IGBT) et des diodes de roue libre associées. Ce type de variateur est destiné à l’alimentation des moteurs asynchrones à cage. Ainsi l’Altivar, de la Marque Telemecanique, permet de créer un mini-réseau électrique à tension et fréquence variables capable d’alimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallèle. Il comporte : - un redresseur avec condensateurs de filtrage, - un onduleur à 6 IGBT et 6 diodes, - un hacheur qui est connecté à une résistance de freinage (en général extérieure au produit), - les circuits de commande des transistors IGBT, - une unité de contrôle organisée autour d’un microprocesseur, lequel assure la commande de l’onduleur, - des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension continue présente aux bornes des condensateurs et dans certains cas les tensions présentes aux bornes du pont redresseur et du moteur ainsi que toutes les grandeurs nécessaires au contrôle et à la protection de l’ensemble moto-variateur, - une alimentation pour les circuits électroniques bas niveau. Cette alimentation est réalisée par un circuit à découpage connecté aux bornes des condensateurs de filtrage pour bénéficier de cette réserve d’énergie. Cette disposition permet à l’Altivar de s’affranchir des fluctuations réseau et des disparitions de tension de courte durée, ce qui lui confère de remarquables performances en présence de réseaux fortement perturbés.

b La variation de vitesse

A Fig. 20

LLa modulation de largeur d’impulsions

La génération de la tension de sortie est obtenue par découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible (C Fig.20). Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation régulière à basse vitesse et limite les échauffements. La fréquence de modulation retenue est un compromis : elle doit être suffisamment élevée pour réduire l’ondulation de courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenter notablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes règlent l’accélération et le ralentissement.

117

5

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

b Les protections intégrées Le variateur s’auto-protège et protège le moteur contre les échauffements excessifs, en se verrouillant jusqu’au retour à une température acceptable. Il en est de même pour toute perturbation ou anomalie pouvant altérer le fonctionnement de l’ensemble, comme les surtensions ou sous tension, la disparition d’une phase d’entrée ou de sortie. Dans certains calibres le redresseur, l’onduleur, le hacheur, la commande et les protections contre les courts-circuits sont intégrés dans un unique module IPM - Intelligent Power Module -.

b Lois de commande du moteur asynchrone Les variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de première génération utilisaient une loi de commande, dite en U/F dite également commande scalaire, seule possibilité réalisable économiquement. L’apparition des microprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis d’appliquer la commande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeurs proposent sur la majorité de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur.

v Fonctionnement en U/f Dans ce type de fonctionnement, la référence vitesse impose une fréquence à l’onduleur et par voie de conséquence au moteur, ce qui détermine la vitesse de rotation. La tension d’alimentation est en relation directe avec la fréquence. Ce fonctionnement est souvent nommé fonctionnement à U/f constant ou fonctionnement scalaire. Si aucune compensation n’est effectuée, la vitesse réelle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement et les performances. Une compensation sommaire peut être utilisée pour tenir compte de l’impédance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge.

v Contrôle vectoriel de flux sans capteur Les performances sont grandement augmentées par une électronique de commande faisant appel au contrôle vectoriel de flux - CVF - (CFig.21).

A Fig. 21

118

LSchéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

La plupart des variateurs modernes intègrent cette fonction en standard.

Pour la majorité des applications, la connaissance ou l’estimation des

paramètres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse.

Dans ce cas, un moteur standard peut être utilisé avec la limitation

usuelle de fonctionnement prolongé à basse vitesse.

Le variateur élabore les informations à partir des grandeurs mesurées aux

bornes de la machine (tension et courant).

Ce mode de contrôle apporte des performances acceptables sans

augmentation de coût.

Pour obtenir ces performances, certains paramètres de la machine

doivent être connus.

A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notamment

introduire les caractéristiques plaquées sur le moteur dans les paramètres

de réglage du variateur telles que :

UNS : tension nominale moteur,

FRS : fréquence nominale stator,

NCR : courant nominal stator,

NSP : vitesse nominale,

COS : cosinus moteur.

Ces abrégés sont utilisés par les variateurs Altivar de la marque

Telemecanique.

A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractéristiques du rotor :

Lm, Tr. (Lm : inductance magnétisante, Tr : moment du couple).

A la mise sous tension, un variateur avec contrôle vectoriel de flux sans

capteur (type ATV58F – Telemecanique) pratique un autoréglage qui lui

permet de déterminer les paramètres statoriques Rs, Lf. Cette mesure

peut se faire moteur accouplé à la mécanique.

La durée varie en fonction de la puissance moteur (1 à 10 s).

Ces valeurs sont mémorisées et permettent au produit d’élaborer les lois

de commande.

L’oscillogramme de la figure 22 représente la mise en vitesse d’un moteur,

chargé à son couple nominal alimenté par un variateur sans capteur.

On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de

0.2 s) et la linéarité de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenue en 0.8 seconde.

A Fig. 22

LCaractéristiques d’un moteur à sa mise sous tension par un variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Telemecanique)

119

5

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

v Variateur avec contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur Le contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur est une autre possibilité. Cette solution fait appel à la transformation de Park et permet de contrôler indépendamment le courant (Id) assurant le flux dans la machine et le courant (Iq) assurant le couple (égal au produit Id, Iq). La commande du moteur est analogue à celle d’un moteur à courant continu. Cette solution (C Fig.23) apporte la réponse aux applications exigeantes : forte dynamique lors des transitoires, précision de vitesse, couple nominal à l’arrêt.

A Fig. 23

LSchéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur

Le couple maximal transitoire est égal à 2 ou 3 fois le couple nominal

suivant le type de moteur.

A Fig. 24

LOscillogramme de la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux (type ATV58F – Telemecanique).

De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitesse

nominale, ou davantage si le moteur le permet mécaniquement.

Ce type de contrôle autorise également des bandes passantes très

élevées et des performances comparables et même supérieures aux

meilleurs variateurs à courant continu. En contrepartie, le moteur utilisé

n’est pas de construction standard en raison de la présence d’un capteur

et le cas échéant d’une ventilation forcée.

L’oscillogramme représenté dans la figure 24 représente la mise en vitesse

d’un moteur, chargé à son couple nominal, alimenté par un variateur avec

contrôle vectoriel de flux avec capteur. L’échelle des temps est de 0.1 s

par division. Par rapport au même produit sans capteur, l’augmentation

des performances est sensible. Le couple nominal s’établit en 80 ms et le

temps de montée en vitesse, dans les mêmes conditions de charge est

de 0.5 seconde.

En conclusion, le tableau de la figure 25 compare les performances

respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles.

b Inversion du sens de marche et freinage A Fig. 25

120

LPerformances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F – Telemecanique)

Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entrée dédiée à cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus de communication) entraîne l’inversion dans l’ordre de fonctionnement des composants de l’onduleur, donc du sens de rotation du moteur.

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Plusieurs fonctionnements sont possibles.

v 1er cas : inversion immédiate du sens de commande des semi­ conducteurs Si le moteur est toujours en rotation au moment de l’inversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dans le variateur est alors égal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et la régulation interne ramène la consigne de vitesse à une faible valeur. Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse s’inverse en suivant la rampe. L’excédent d’énergie non absorbée par le couple résistant et les frottements est dissipé dans le rotor.

v 2ème cas : inversion du sens de commande des semi­ conducteurs précédée d’une décélération avec ou sans rampe Si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus rapide que la rampe fixée par le variateur, celui-ci continue à fournir de l’énergie au moteur. La vitesse diminue progressivement et s’inverse. Par contre, si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus lente que la rampe fixée par le variateur, le moteur se comporte comme une génératrice hyper synchrone et restitue de l’énergie au variateur. Cependant, la présence du pont de diodes interdisant le renvoi de l’énergie vers le réseau, les condensateurs de filtrage se chargent, la tension augmente et le variateur se verrouille. Pour éviter cela, il faut disposer d’une résistance qui est connectée aux bornes des condensateurs par un hacheur de façon à limiter la tension à une valeur convenable. Le couple de freinage n’est plus limité que par les capacités du variateur de vitesse : la vitesse diminue progressivement et s’inverse. Pour cette utilisation, le fabricant du variateur fournit des résistances de freinage dimensionnées en fonction de la puissance du moteur et des énergies à dissiper. Le hacheur étant dans la majorité des cas inclus d’origine dans le variateur, seule la présence d’une résistance de freinage distingue un variateur capable d’assurer un freinage contrôlé. Ce mode de freinage est donc particulièrement économique. Il va de soi que ce mode de fonctionnement permet de ralentir un moteur jusqu’à l’arrêt sans nécessairement inverser le sens de rotation.

v 3ème cas : fonctionnement prolongé en freinage Un cas typique d’application est rencontré par les bancs d’essai de moteur. Il est inenvisageable de dissiper dans des résistances l’énergie ainsi produite, le bilan énergétique serait inacceptable et la dissipation des calories problématique. La plupart des constructeurs proposent des associations qui permettent de restituer au réseau l’énergie récupérée. En général, le pont de diode connecté au réseau est remplacé par un pont de semi-conducteurs contrôlés constitué d’IGBT. La restitution, par une commande MLI appropriée, est faite le plus souvent sous la forme d’un courant sinusoïdal.

v Autre possibilité de freinage Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du variateur en hacheur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé. Il est assez peu efficace, surtout à grande vitesse, et de ce fait la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est, par nature, occasionnel.

121

5

5 - Départs moteurs

5.8

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

b Les modes de fonctionnement possibles v Fonctionnement dit à « couple constant » Tant que la tension délivrée par le variateur peut évoluer et dans la mesure où le flux dans la machine est constant (rapport U/f constant ou mieux encore avec contrôle vectoriel de flux), le couple moteur sera grossièrement proportionnel au courant et le couple nominal de la machine pourra être obtenu sur toute la plage de vitesse (C Fig.26a). A Fig. 26a

LCouple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence [a] – zone de fonctionnement à couple constant, [b] – zone de fonctionnement à puissance constante

Cependant, le fonctionnement prolongé au couple nominal à basse vitesse n’est possible que si une ventilation forcée du moteur est prévue, ce qui nécessite un moteur spécial. Les variateurs modernes disposent de circuits de protection qui établissent une image thermique du moteur en fonction du courant, des cycles de fonctionnement et de la vitesse de rotation : la protection du moteur est donc assurée.

v Fonctionnement dit à « puissance constante » Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en l’alimentant à une fréquence supérieure à celle du réseau de distribution. Toutefois, la tension de sortie du convertisseur ne pouvant pas dépasser celle du réseau, le couple disponible décroît en proportion inverse de l’accroissement de la vitesse (C Fig.26b). Au-dessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus à couple constant, mais à puissance constante (P = Cω), tant que la caractéristique naturelle du moteur l’autorise. La vitesse maximale est limitée par deux paramètres : - la limite mécanique liée au rotor, - la réserve de couple disponible. A Fig. 26b

122

LCouple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence [a] – zone de fonctionnement à couple constant, [b] – zone de fonctionnement à puissance constante

Pour une machine asynchrone alimentée à tension constante, le couple maximum variant comme le carré de la vitesse (C chapitre 3 Moteurs et charges), le fonctionnement à « puissance constante » n’est possible que dans une plage limitée de vitesse déterminée par la caractéristique de couple propre à la machine.

5 - Départs moteurs

5.9

5.9

Gradateur de tension pour moteur asynchrone

Gradateur de tension pour moteur asynchrone b Historique et présentation Ce dispositif de variation de tension, (C Fig.27) exploitable pour l’éclairage et le chauffage, n’est pratiquement plus utilisé comme variateur de vitesse. Par le passé, cette solution a été utilisée avec des moteurs asynchrones à cage résistante ou à bagues. Le mode de fonctionnement est illustré dans la figure 28. On voit clairement qu’une variation de vitesse est possible en faisant varier la tension et en particulier avec un moteur à cage résistante. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à 3 kW environ). Autrefois populaires pour certaines applications, telle la variation de vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ont quasiment disparu au profit des convertisseurs de fréquence plus économiques en phase d’exploitation.

5 A Fig. 27

LDémarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation

A Fig. 28

LCouple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tension variable et dont le récepteur présente un couple résistant parabolique (ventilateur) [a] – moteur à cage d’écureuil, [b] – moteur à cage résistante

Le gradateur de tension, dénommé « soft starter » dans les pays de langue anglaise, est utilisé universellement pour le démarrages des moteurs. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à 3 kW environ). Il est utilisé comme démarreur ralentisseur progressif, dans la mesure où un couple de démarrage élevé n’est pas nécessaire et permet de limiter l’appel de courant, la chute de tension qui en découle et les chocs mécaniques dus à l’apparition brutale du couple. Parmi les applications les plus courantes, citons le démarrage des pompes centrifuges et des ventilateurs, des convoyeurs à bande, des escaliers roulants, des portiques de lavage d’automobiles, des machines équipées de courroies, etc. et en variation de vitesse sur les moteurs de très faible puissance ou sur les moteurs universels, comme dans l’outillage électroportatif. Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseur permet également d’éliminer les coups de bélier. Trois types de démarreurs se trouvent sur le marché : soit à une phase contrôlée dans les petites puissances, soit à deux phases contrôlées (la troisième étant une connexion directe), soit avec toutes les phases contrôlées. Les deux premiers systèmes ne sont à utiliser que pour des cycles de fonctionnement peu sévères en raison du taux d’harmoniques supérieur.

123

5 - Départs moteurs

5.9

Gradateur de tension pour moteur asynchrone

b Principe général Le circuit de puissance comporte, par phase, 2 thyristors montés tête­ bêche (C Fig. 28). La variation de tension est obtenue en faisant varier le temps de conduction de ces thyristors au cours de chaque demi-période. Plus l’instant de l’amorçage est retardé, plus la valeur de la tension résultante est faible. L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur qui assure également les fonctions suivantes : - contrôle des rampes de montée en tension et de diminution de tension réglables ; la rampe de décélération ne pourra être suivie que si le temps de décélération naturel du système entraîné est plus long, - limitation de courant réglable, - sur couple au démarrage, - commande de freinage par injection de courant continu, - protection du variateur contre les surcharges, - protection du moteur contre les échauffements dus aux surcharges ou aux démarrages trop fréquents, - détection de déséquilibre ou d’absence de phases, de défauts thyristors. Un tableau de bord qui affiche différents paramètres de fonctionnement apporte une aide à la mise en service, à l’exploitation et à la maintenance. Certains gradateurs, comme l’Altistart (Telemecanique) peuvent commander le démarrage et le ralentissement - d’un seul moteur, - de plusieurs moteurs simultanément, dans la limite de son calibre, - de plusieurs moteurs successivement par commutation. En régime établi, chaque moteur est alimenté directement par le réseau à travers un contacteur. Seul l’Altistart dispose d’un dispositif breveté permettant une estimation du couple moteur ce qui permet d’effectuer des accélérations et décélérations linéaires et, si nécessaire, de limiter le couple moteur.

b Inversion du sens de marche et freinage L’inversion du sens de marche s’effectue par inversion des phases d’entrée du démarreur. Le freinage se fait alors à contre courant et toute l’énergie est dissipée dans le rotor de la machine. Le fonctionnement est donc par nature intermittent.

b Freinage de ralentissement par injection de courant continu Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du démarreur en redresseur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé et le freinage est assez peu efficace, surtout à grande vitesse. De ce fait, la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins, c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est également occasionnel.

124

5 - Départs moteurs

5.10

5.10

Moto-variateurs synchrones

Moto-variateurs synchrones b Principe général Les moto-variateurs synchrones (C Fig. 29) sont une association d’un convertisseur de fréquence et d’un moteur synchrone à aimants permanents équipé d’un capteur. Ces moteurs sont souvent dénommés « moteurs brushless ». Ces moto-variateurs sont destinés à des marchés spécifiques, comme les robots ou les machines-outils, pour lesquels sont exigés un faible volume des moteurs, des accélérations rapides et une bande passante tendue.

b Le moteur Ce moteur a été décrit dans le chapitre sur les moteurs. Ce qui suit complète ces informations pour permettre au lecteur d’appréhender le mode d’alimentation par un variateur de vitesse. Le rotor du moteur est équipé d’aimants permanents en terre rare pour obtenir un champ élevé dans un volume réduit. Le stator comporte des enroulements triphasés A, B, C (C Fig.30). A Fig. 29

LPhotographie d’un moto-variateur synchrone (Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric)

A Fig. 30

LReprésentation simplifiée du stator moteur synchrone à aimants permanents « moteur brushless »

Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importants pour réaliser des accélérations très rapides. Un capteur équipe ces moteurs pour indiquer au variateur la position angulaire des pôles du moteur, afin d’assurer la commutation des enroulements (C Fig.31).

A Fig. 31

LReprésentation simplifiée d’un moteur synchrone à aimants permanents « moteur brushless », illustrant le capteur angulaire de position du rotor

125

5

5 - Départs moteurs

5.10 5.11

Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas-à-pas

b Le variateur Dans sa constitution, le variateur est similaire à un convertisseur de fréquence : il fonctionne de façon analogue. Il est aussi constitué d’un redresseur et d’un onduleur à transistors à modulation de largeur d’impulsions (MLI) qui restitue un courant de sortie de forme sinusoïdale. Il est fréquent de trouver plusieurs variateurs de ce type alimentés par une même source de courant continu. Ainsi, sur une machine-outil, chaque variateur commande un des moteurs associés aux axes de la machine. Une source commune à courant continu alimente en parallèle cet ensemble de variateurs. Ce type d’installation permet de mettre à disposition de l’ensemble, l’énergie qui proviendrait du freinage de l’un des axes. Comme dans les convertisseurs de fréquence, une résistance de freinage associée à un hacheur permet d’évacuer l’énergie de freinage en excès. Les fonctions d’asservissement de l’électronique et les faibles constantes de temps mécaniques et électriques autorisent des accélérations et plus généralement des bandes passantes très élevées, avec en même temps une très grande dynamique de vitesse.

5.11

Moto-variateurs pas-à-pas b Principe général Les moto-variateurs pas-à-pas sont des associations d’une électronique de puissance, similaire dans sa conception à celle d’un convertisseur de fréquence, et d’un moteur pas-à-pas. Ils fonctionnent en boucle ouverte (sans capteur) et sont destinés à des applications de positionnement.

b Le moteur Le moteur peut être à réluctance variable, à aimants permanents ou présenter une combinaison des deux (C chapitre 3 Moteurs et charges, pour des explications détaillées).

b Le variateur Dans sa constitution, le variateur est analogue à un convertisseur de fréquence (redresseur, filtrage et pont constitué de semi-conducteurs de puissance). L’étage de sortie aliment les bobines du moteur pas-à-pas, comme dans l’exemple de la figure 32 pour un moteur pas-à-pas bipolaire.

A Fig. 32

LSchéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas-à-pas

Cependant, son fonctionnement est fondamentalement différent dans la mesure où il a pour objectif d’injecter un courant constant dans les enroulements. 126

5 - Départs moteurs

5.11 5.12

Moto-variateurs pas-à-pas Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse

Parfois, il fait appel à la modulation de largeur d’impulsions (MLI) pour obtenir de meilleures performances, en particulier le temps de montée du courant (C Fig.33), ce qui permet d’étendre la plage de fonctionnement. Le fonctionnement (C Fig.34) en micropas, déjà évoqué dans le chapitre 3 Moteurs et charges, permet de multiplier artificiellement le nombre de positions possibles du rotor en générant des échelons successifs dans les bobines, durant chaque séquence. Les courants dans les deux bobines ressemblent alors à deux courants alternatifs décalés de 90°.

A Fig. 33

LAllure du courant résultant d’une commande à MLI

5

A Fig. 34

LDiagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour une commande en micropas d’un moto-variateur pas-à-pas

Le champ résultant est la composition vectorielle des champs créés par les deux bobines. Le rotor prend ainsi toutes les positions intermédiaires possibles. Le schéma représente les courants d’alimentation des bobines B1 et B2 et les positions du rotor sont représentées par le vecteur.

5.12

Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse b Les possibilités de dialogue Pour pouvoir assurer un fonctionnement correct du moteur, les variateurs intègrent un certain nombre de capteurs pour surveiller la tension, les courants du moteur et son état thermique. Ces informations, indispensables pour le variateur, peuvent être utiles pour l’exploitation. Les variateurs et démarreurs récents intègrent des fonctions de dialogue en tirant profit des bus de terrain. Il est ainsi possible de générer des informations qui sont utilisées par un automate et un superviseur pour la conduite de la machine, les informations de contrôle proviennent de l’automate par le même canal. Parmi les informations qui transitent citons : - les consignes de vitesse, - les ordres de marche ou d’arrêt, - les réglages initiaux du variateur ou les modifications de ces réglages en opération, - l’état du variateur (marche, arrêt, surcharge, défaut), - les alarmes, - l’état du moteur (vitesse, couple, courant, température). 127

5 - Départs moteurs

5.12

Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse

Ces possibilités de dialogue sont également utilisées en liaison avec un PC pour pouvoir simplifier les réglages à la mise en route (téléchargement) ou archiver les réglages initiaux.

b Les fonctions intégrées Pour couvrir efficacement bon nombre d’applications, les variateurs disposent d’un nombre important d’ajustages et de réglages comme : - les temps des rampes d’accélération et de décélération, - la forme des rampes (linéaires, en S, en U ou paramétrables), - les commutations de rampes permettant d’obtenir deux rampes d’accélération ou de décélération pour permettre par exemple un accostage en douceur, - la réduction du couple maximum commandée par une entrée logique ou par une consigne, - la marche pas-à-pas, - la gestion de la commande d’un frein pour les applications de levage, - le choix de vitesses présélectionnées, - la présence d’entrées sommatrices permettant d’additionner des consignes de vitesse,

- la commutation des références présentes à l’entrée du variateur,

- la présence d’un régulateur PI pour les asservissements simples

(vitesse ou débit par exemple), - l’arrêt automatique suite à une coupure réseau permettant le freinage du moteur, - le rattrapage automatique avec recherche de la vitesse du moteur pour une reprise à la volée, - la protection thermique du moteur à partir d’une image générée dans le variateur,

- la possibilité de connexion de sondes PTC intégrées au moteur,

- l’occultation de fréquence de résonance de la machine (la vitesse

critique est occultée de sorte que le fonctionnement permanent à cette fréquence est rendu impossible), - le verrouillage temporisé à basse vitesse dans les applications de pompage où le fluide participe à la lubrification de la pompe et évite le grippage. Ces fonctions, sur les variateurs sophistiqués, se trouvent le plus souvent en standard comme dans l’Altivar (ATV58H) Telemecanique.

b Les cartes optionnelles Pour des applications plus complexes, les fabricants proposent des cartes optionnelles qui permettent soit des fonctions particulières, par exemple le contrôle vectoriel de flux avec capteur, soit des cartes dédiées à un métier particulier. On trouve par exemple : - des cartes « commutation de pompes » pour réaliser économiquement une station de pompage comportant un seul variateur alimentant successivement plusieurs moteurs, - des cartes « multi-moteurs »,

- des cartes « multi-paramètres » permettant de commuter

automatiquement des paramètres prédéfinis dans le variateur,

- des cartes spécifiques développées à la demande d’un utilisateur

particulier. Certains fabricants proposent également des cartes automates intégrées dans le variateur permettant des applications simples. L’opérateur dispose alors d’instructions de programmation et d’entrées et sorties pour la réalisation de petits automatismes, là où la présence d’un automate ne se justifie pas.

128

5 - Départs moteurs

5.13

5.13

Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique

Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique b Facteur de déphasage v Rappel Le facteur de déphasage ou cosinus ϕ est le cosinus de l’angle de déphasage du courant par rapport à la tension. Le facteur de déphasage n’a de signification que pour des tensions et des courants sinusoïdaux de même fréquence. Si le courant prélevé à la source présente des harmoniques, ce qui est le cas pour la majorité des variateurs de vitesse, le facteur de puissance sera, par définition, le déphasage du fondamental (ou premier harmonique) du courant par rapport au fondamental de la tension d’alimentation.

v 1er cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurs commandés de type thyristor : ex : variateur pour moteur à courant continu Le facteur de déphasage est sensiblement égale au cosinus de l’angle de retard à l’amorçage. En d’autres termes, si la tension de sortie est faible (basse vitesse), le cosinus ϕ est faible. Si la tension de sortie est élevée (vitesse élevée) le cosinus ϕ est voisin de l’unité. Le cosinus ϕ devient négatif si le variateur restitue de l’énergie au réseau dans le cas de variateur réversible.

v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Le fondamental du courant est quasiment en phase avec la tension d’alimentation et le cosinus ϕ est proche de 1.

v 3ème cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurs commandés de type IGBT Cette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courant sinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée, le cosinus ϕ est égal ou proche de 1. Un convertisseur de fréquence associé à un moteur asynchrone a un meilleur facteur de déphasage que le moteur lui même. En effet, le pont de diode qui équipe en général ce mode de convertisseur à un facteur de déphasage proche de 1. Ce sont les condensateurs de filtrage incorporés au variateur qui font office de « réservoir » d’énergie réactive.

b Facteur de puissance v Rappel Le facteur de puissance est le rapport de la puissance apparente S et de la puissance active P. Fp = P/S La puissance active P est le produit de la tension fondamentale par le courant fondamental et le cosinus ϕ P = U x I x cosinus ϕ La puissance apparente S est égale au produit de la valeur efficace de la tension par la valeur efficace du courant. Si la tension et le courant sont déformés, il faudra effectuer la somme quadratique des valeurs efficaces de chaque rang. Si l’impédance du réseau est faible (ce qui est le cas en général), la tension d’alimentation sera proche de la sinusoïde, en contre partie, le courant absorbé par les semi-conducteurs est riche en harmoniques et d’autant plus riche que l’impédance du réseau sera faible. La valeur efficace du courant s’exprime de la manière suivante : Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5 Et la puissance apparente S par : S= Veff x Ieff ou très sensiblement : S = V x Ieff

129

5

5 - Départs moteurs

5.13

Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique

Un rapport P/S faible dénote une réseau d’alimentation surchargé en raison des harmoniques avec des risques d’échauffement des conducteurs qui doivent être dimensionnés en conséquence.

v 1er cas : le circuit d’entré est constitue de semi-conducteurs commandés de type thyristor : ex. variateur pour moteur à courant continu Le prélèvement de courant est sensiblement carré. Le facteur de puissance est faible à basse tension de sortie et s’améliore quand la tension de sortie augmente pour atteindre la valeur de 0.7 environ.

v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex. convertisseur de

A Fig. 35

LFormes du courant absorbé par un variateur de vitesse

fréquence pour moteur asynchrone Le courant prélevé est riche en harmonique (C Fig.35) et le facteur de puissance est faible quelle que soit la vitesse du moteur. Ce phénomène est supportable pour les petits variateurs mais devient pénalisant au fur et à mesure que les puissances s’accroissent. Pour réduire ce phénomène, des inductances de ligne et des inductances dans les circuits de la source continue en série avec les condensateurs de filtrage deviennent indispensables. Elles ont pour effet d’atténuer l’amplitude des harmoniques et d’améliorer sensiblement le facteur de puissance. Les convertisseurs de fréquence qui utilisent un pont de diodes, sans inductance de ligne ou dans le circuit continu ont un facteur de puissance de l’ordre de 0.5.

v 3ème cas : le circuit d’entrée est constitué de semi-conducteurs commandés de type IGBT Cette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courant sinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée. Ce mode de prélèvement permet d’obtenir un courant proche de la sinusoïde et d’obtenir un facteur de puissance optimal sensiblement égal au facteur de déphasage et proche de l’unité (C Fig.36). Compte tenu du prix d’une telle solution, ce type de prélèvement est peu répandu dans l’offre des constructeurs.

b Rendement v Pertes dans le convertisseur Les pertes dans les convertisseurs sont associées aux semi-conducteurs qui les constituent.

A Fig. 36

LPrélèvement sinusoïdal

Les semi-conducteurs sont le siège de perte d’énergie de deux types : - les pertes par conduction dues à la tension résiduelle de l’ordre

du volt,

- les pertes par commutation liées à la fréquence de découpage. Les semi-conducteur ayant des temps de commutation rapides ont les pertes de commutation les plus faibles, comme des IGBT qui autorisent des fréquences de découpage élevées. De ce fait, les convertisseurs présentent des rendements excellents supérieurs à 90%.

v Pertes dans le moteur Les moteurs associés aux convertisseurs voient leurs pertes augmenter en raison du découpage de la tension appliquée. Cependant, la fréquence de découpage étant élevée ; le courant absorbé est quasi sinusoïdal (C Fig. 37) et les pertes supplémentaires peuvent être considérées comme négligeables.

A Fig. 37

130

LAllure du courant moteur

5 - Départs moteurs

5.14

5.14

Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance

Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance b Choix du moteur Les convertisseurs de fréquence peuvent alimenter des moteurs

standards. sans précaution particulière, si ce n’est le déclassement à

basse vitesse dans le cas de moteurs moto ventilés.

Il sera toujours préférable, cependant, de choisir le moteur ayant le

meilleur rendement et le plus haut cos ϕ.

Dans les faibles puissances, le choix d’un moto variateur synchrone peut

être judicieux en raison du rendement supérieur de cette association.

La différence de prix d’achat est en effet rapidement amortie.

b Nature de la charge Les convertisseurs de fréquence s’imposent pour le réglage de débit des pompes et ventilateurs en raison de la caractéristique de couple de ces charges (C chapitre 3 Moteurs et charges). L’usage de variateurs de vitesse par rapport à des fonctionnements tout ou rien ou à des systèmes de réglage faisant appel à des vannes, des volets ou des clapets permet des économies substantielles d’énergie. La documentation des constructeurs donne des exemples de calcul d’économie d’énergie permettant d’estimer le retour sur investissement. Cette économie ne peut être évaluée qu’en connaissant parfaitement l’application et les spécialistes des constructeurs sont en mesure de guider le choix de l’utilisateur.

b Réduction de la maintenance Les convertisseurs de fréquence et les démarreurs électronique (C chapitre 4 Démarrage des moteurs) effectuent un démarrage progressif qui élimine les contraintes mécaniques imposées à la machine pouvant ainsi être optimisée directement à la conception. Dans le cas de la commande multi-moteur (ex. station de pompage), une gestion appropriée des moteurs permet d’équilibrer les heures de fonctionnement de chacun d’entre eux et d’augmenter la disponibilité et l’endurance de l’installation.

b Conclusion Le choix d’un variateur de vitesse étant intimement lié à la nature de la charge entraînée et aux performances visées, toute définition et recherche d’un variateur de vitesse doivent passer par une analyse des exigences fonctionnelles de l’équipement, puis des performances requises pour le moteur lui-même. La documentation des fournisseurs de variateurs de vitesse fait également abondamment mention de couple constant, couple variable, puissance constante, contrôle vectoriel de flux, variateur réversible, etc. Ces désignations caractérisent toutes les données nécessaires pour retenir le type de variateur le plus adapté. Un choix incorrect de variateur peut conduire à un fonctionnement décevant. De même, il faut tenir compte de la gamme de vitesse souhaitée pour choisir convenablement l’association moteur/variateur. Il est conseillé de s’adresser, avec toutes les précisions nécessaires, aux services spécialisés des constructeurs pour sélectionner le variateur apportant le meilleur rapport prix/performances.

131

5

5 - Départs moteurs

5.15 Produit

Fonction Section­ nement

Interruption

Protection court circuit

Surcharge

Fonctions complémen­ taires Commu­ tation (TOR, 2V, Δ) Commutation à vitesse variable Commutation à vitesse variable

132

5.15

Tableau de choix des départs moteurs

Grille de choix des départs moteurs Contacteur

Démarreur progressif

Variateur vitesse

Relais Protections thermique complémentaire

Porte fusibles

Interrupteur

Interrupteur Disjoncteur Disjoncteur Démarreur fusibles ligne moteur contrôleur

5

133

6 134

chapitre chapitr e Acquisition de données : détection Présentation : Présentation technologies de détection • Fonctions Fonctions et des technologies de détection • Tableau de choix

6 - Acquisition de données : détection

Sommaire

1 2 6.1

Introduction

Page

6.2

Les interrupteurs de position électromécaniques

Page

6.3

Les détecteurs de proximité inductifs

Page

6.4

Les détecteurs de proximité capacitifs

Page

6.5

Les détecteurs photoélectriques

Page

6.6

Les détecteurs à ultrasons

Page

6.7

La détection RFID -Radio Frequency IDentification-

Page

3 4 5 6 7

6.8

La vision

Page

6.9

Les codeurs optiques

Page

6.10

Les pressostats et vacuostats

Page

6.11

Conclusion

Page

6.12

Guide de choix des différentes technologies

Page

8 9 10 11 12 M

135

6 - Acquisition de données : détection

6.1

Introduction

Le domaine de l’acquisition de données comporte deux grandes familles. La première qui englobe sous le terme de détection les produits capables de détecter un seuil, une limite ou d’estimer une grandeur physique. La deuxième sous le terme de mesure ou d’instrumentation permet de mesurer avec une précision donnée une grandeur physique. Les capteurs dédiés à la sécurité des machines sont évoqués au chapitre Sécurité. Le lecteur intéressé trouvera un grand nombre d’ouvrages sur la sécurité des machines dans lesquels tous les dispositifs disponibles sur le marché sont abordés. A Fig. 1

6.1

La chaîne d’information d’un processus industriel

Ces produits comportent trois fonctions essentielles qui sont résumées dans la figure 1.

Introduction b La détection : une fonction essentielle La fonction “détection” est essentielle, car elle est le premier maillon dans la chaîne d’information (C Fig.2 ) d’un processus industriel. En effet, dans un système automatique, des détecteurs assurent la collecte des informations : - de tous les événements nécessaires à la conduite, pour être pris en compte par les systèmes de commande, selon un programme établi, - du déroulement des différentes phases du processus lors de

l’exécution de ce programme.

A Fig. 2

La chaîne d’information d’un processus industriel

b Les diverses fonctionnalités de la détection Les besoins de détections sont très variés. Les besoins les plus élémentaires sont : - le contrôle de la présence, de l’absence ou du positionnement d’un objet, - la vérification du passage, d’un défilement ou d’un bourrage d’objets et du comptage. Ils sont généralement satisfaits par des dispositifs « tout ou rien », c’est le cas dans des applications typiques de détection de pièces dans des chaînes de fabrication ou des activités de manutention, ainsi que dans la détection de personnes et de véhicules. Il y a d’autres besoins plus spécifiques, tels que la détection : - de présence (ou de niveau) de gaz ou de liquide, - de forme, - de position (angulaire, linéaire), - d’étiquette, avec lecture et écriture d’informations codées. A ces besoins s’ajoutent de nombreuses exigences, particulièrement en ce qui concerne l’environnement. Des détecteurs doivent selon leur situation pouvoir résister à : - l’humidité, voire l’immersion (ex. étanchéité renforcée), - la corrosion (industries chimiques ou même installations agricoles, etc.), - des variations fortes de température (ex. régions tropicales), - des salissures de tous ordres (en extérieur ou dans des machines), - et même au vandalisme, etc. Pour répondre à tous ces besoins, les constructeurs ont créé toutes sortes de détecteurs avec des technologies différentes.

b Les différentes technologies de détecteurs Les constructeurs de détecteurs font appel à des principes de mesure physique variés, les principaux principes sont : - mécanique (pression, force) pour les interrupteurs électromécaniques de position, 136

6 - Acquisition de données : détection

6.1 6.2

Introduction Les interrupteurs de position électromécaniques

- électromagnétisme (champ, force) pour les capteurs magnétiques, détecteurs de proximité inductifs, - lumière (puissance ou déviation lumineuse) pour les cellules

photoélectriques,

- capacité pour les détecteurs de proximité capacitifs, - acoustique (temps de parcours d’une onde) pour les détecteurs ultra sons, - fluide (pression) pour les pressostats, - optique (analyse d’image) pour la vision. Ces principes induisent des avantages et des limites pour chaque type de capteurs, ainsi certains sont robustes mais nécessitent un contact avec la pièce à détecter, d’autres peuvent être placés dans des ambiances agressives, mais ne sont exploitables qu’avec des pièces métalliques. La présentation, dans les paragraphes suivants, des différentes technologies mises en œuvre, a pour objectif de faciliter la compréhension des impératifs d’installation et d’exploitation des capteurs disponibles sur le marché des automatismes et équipements industriels.

b Les fonctions annexes des détecteurs Différentes fonctions sont développées pour faciliter l’emploi des détecteurs, l’auto apprentissage en est une. Cette fonction d’apprentissage permet par un simple appui sur un bouton de définir le domaine de détection effectif du dispositif, par exemple l’apprentissage de la portée minimale et maximale (effacement d’avant plan et d’arrière plan très précis ± 6 mm pour les détecteurs à ultra sons) et la prise en compte de l’environnement pour les détecteurs photoélectriques.

6.2

Les interrupteurs de position électromécaniques La détection se réalise par un contact physique (palpeur ou organe de commande) avec un objet ou un mobile. L’information est transmise au système de traitement par le biais d’un contact électrique (tout ou rien). Ces dispositifs (organe de commande et contact électrique) sont appelés interrupteurs de position. Ils sont présents dans toutes les installations automatisées ainsi que dans des applications variées en raison de nombreux avantages inhérents à leur technologie.

b Mouvements de détection

A Fig. 3

Illustration des différents mouvements de capteurs couramment utilisé

Le palpeur, ou organe de commande, peut avoir différents mouvements (C Fig.3 ), afin de permettre la détection dans de multiples positions, et s’adapter ainsi aisément aux objets à détecter : - rectiligne, - angulaire, - multi-directions.

b Mode de fonctionnement des contacts L’offre des fabricants est caractérisée par la technologie utilisée pour la manœuvre des contacts.

v Contact à action brusque, dit aussi à rupture brusque La manœuvre des contacts est caractérisée par un phénomène d’hystérésis, c’est à dire par des points d’action et de relâchement distincts (C Fig.4 ).

A Fig. 4

Les différentes positions d’un contact à action brusques

La vitesse de déplacement des contacts mobiles est indépendante de la vitesse de l’organe de commande. Cette particularité permet d’obtenir des performances électriques satisfaisantes même en cas de faibles vitesses de déplacement de l’organe de commande. 137

6

6 - Acquisition de données :

détection

6.2 6.3

Les interrupteurs de position électromécaniques Les détecteurs de proximité inductifs

De plus en plus, les interrupteurs de position avec contacts à action brusque possèdent des contacts avec manœuvre positive d’ouverture : ceci concerne le contact à ouverture, et se définit de la manière suivante : “Un appareil satisfait à cette prescription quand tous ses éléments des contacts d’ouverture peuvent être amenés avec certitude à leur position d’ouverture, donc sans aucune liaison élastique entre les contacts mobiles et l’organe de commande auquel l’effort d’actionnement est appliqué”. Ceci concerne le contact électrique de l’interrupteur de position, mais aussi l’organe de commande qui doit transmettre le mouvement sans déformation. L’utilisation dans le cadre d’applications de sécurité impose d’utiliser des appareils à manœuvre positive d’ouverture.

v Contact à action dépendante aussi dit à rupture lente (C Fig.5)

A Fig. 5

6.3

Exemple d’un contact à action dépendante

Ce mode de fonctionnement est caractérisé par : - des points d’action et de relâchement confondus, - une vitesse de déplacement des contacts mobiles égale ou proportionnelle à la vitesse de l’organe de commande (qui ne doit pas être inférieure à 0.1 m/s = 6 m/mn). En dessous de ces valeurs, l’ouverture des contacts se fait trop lentement, ce qui est défavorable au bon fonctionnement électrique du contact (risque d’arc maintenu trop longtemps), - la distance d’ouverture est également dépendante de la course de l’organe de commande. Ces contacts sont naturellement à manœuvre positive d’ouverture de par leur construction : le poussoir agit directement sur les contacts mobiles.

Les détecteurs de proximité inductifs De par leur principe physique, ces détecteurs ne fonctionnent que sur des matériaux métalliques.

b Principe Un circuit inductif (bobine d’inductance L) constitue l’élément sensible. Ce circuit est associé à un condensateur de capacité C pour former un circuit résonnant à une fréquence Fo généralement comprise entre 100 KHz et 1 MHz. Un circuit électronique permet d’entretenir les oscillations du système en accord avec la formule :

Ces oscillations créent un champ magnétique alternatif devant la bobine. Un écran métallique placé dans le champ est le siège de courants de Foucault qui induisent une charge additionnelle modifiant ainsi les conditions d’oscillation (C Fig.6). La présence d’un objet métallique devant le détecteur diminue le coefficient de qualité du circuit résonnant. A Fig. 6

Principe de fonctionnement d’un

détecteur inductif

1er cas, absence d’écran métallique : Rappel :

2e cas, présence d’un écran métallique :

138

6 - Acquisition de données : détection

6.3

Les détecteurs de proximité inductifs

La détection se fait par la mesure de la variation du coefficient de qualité (de 3% à 20% environ au seuil de détection). L’approche de l’écran métallique se traduit par une diminution du coefficient de qualité et donc d’une diminution de l’amplitude des oscillations. La distance de détection dépend de la nature du métal à détecter (de sa résistivité ρ et de sa perméabilité relative µr ).

b Description d’un détecteur inductif (C Fig.7)

A Fig. 7

Schéma d’un détecteur inductif

Transducteur : Il est constitué d’une bobine en fil de cuivre multibrins (fil de Litz) placée à l’intérieur d’un demi-pot en ferrite qui dirige les lignes de champ vers l’avant du détecteur. Oscillateur : De nombreux types d’oscillateurs existent, par exemple oscillateur à « résistance négative » fixe -R est égale en valeur absolue à la résistance parallèle Rp du circuit oscillant à la portée.

l l l l

- Si l’objet à détecter est au-delà de la portée nominale, Rp > -R ,

alors les oscillations sont entretenues,

- Inversement, si l’objet à détecter est en deçà de la portée nominale, Rp < -R , alors les oscillations ne sont plus entretenues, l’oscillateur est bloqué.

l l l l

Etage de mise en forme : Constitué d’un détecteur de crête suivi d’un comparateur à deux seuils (Trigger) pour éviter les commutations intempestives lorsque l’objet à détecter est proche de la portée nominale. Il crée ce que l’on appelle l’hystérésis du détecteur (C Fig.7bis). Etage d’alimentation et de sortie : Il permet d’alimenter le détecteur sur des grandes plages de tension d’alimentation (de 10 VCC jusqu’à 264 V AC). L’étage de sortie permet de commander des charges de 0.2 A en CC à 0.5 A en AC, avec ou sans protection contre les courts-circuits.

b Performances de la détection inductive

A Fig. 7bis

Hystérésis du détecteur

La distance de détection : - elle est fonction de l’importance de la surface de détection. - Sn : portée nominale (sur acier doux) varie de 0.8 mm (détecteur Ø 4) à 60 mm (détecteur 80 x 80). - hystérésis : course différentielle (de 2 à 10 % de Sn) qui évite les

rebonds à la commutation.

- fréquence de détection de passage des objets devant le détecteur, dite de commutation (maximum pratique 5 kHz).

b Fonctions particulières • Détecteurs protégés contre les champs magnétiques des soudeuses. • Détecteurs à sortie analogique. • Détecteurs à facteur de correction de 1* avec lesquels la distance de

détection est indépendante du métal détecté (ferreux ou non ferreux).

• Détecteurs sélectifs matériaux ferreux et non ferreux. • Détecteurs pour contrôle de rotation : ces détecteurs de sous vitesse

sont sensibles à la fréquence de passage d’objets métalliques.

• Détecteurs pour atmosphères explosibles (normes NAMUR). *Lorsque l’objet à détecter n’est pas de l’acier, la distance de détection du détecteur envisagé est proportionnelle au facteur de correction du matériau constituant cet objet. DMat X = DAcier x KMat X Les valeurs typiques du facteur de correction (KMat X ) sont : - Acier = 1 - Inox = 0.7 - Laiton = 0.4 - Aluminium = 0.3 - Cuivre = 0.2

Exemple : DInox = DAcier x 0.7

139

6

6 - Acquisition de données : détection 6.4

6.4

Les détecteurs de proximité capacitifs

Les détecteurs de proximité capacitifs Cette technologie permet la détection de tous les types de matériaux conducteurs et isolants tels que verre, huile, bois, plastique, etc.

b Principe La face sensible du détecteur constitue l’armature d’un condensateur. Une tension sinusoïdale est appliquée sur cette face, créant ainsi un champ électrique alternatif devant le détecteur. En considérant que cette tension sinusoïdale est référencée par rapport à un potentiel de référence (terre ou masse par exemple), la deuxième armature est constituée par une électrode reliée à ce potentiel de masse (bâti de machine par exemple). A Fig. 8

Absence d’objet entre les 2 électrodes

Ces deux électrodes face à face constituent un condensateur dont la capacité est :

avec ε0 = 8,854187.10-12 F/m permittivité du vide et εr permittivité relative du matériau présent entre les 2 électrodes. 1er cas : Absence d’objet entre les 2 électrodes (C Fig.8)

2e cas : Présence d’un objet isolant entre les 2 électrodes (C Fig.9)

=> (εr = 4)

A Fig. 9

Présence d’un objet isolant entre les 2 électrodes

L’électrode de masse peut être dans ce cas le tapis métallique d’un

convoyeur.

Lorsque εr moyen devient supérieur à 1 en présence d’un objet,

C augmente.

La mesure de l’augmentation de la valeur de C permet de détecter la

présence de l’objet isolant.

3e cas : Présence d’un objet conducteur entre les 2 électrodes (C Fig.10)

avec εr 1 (air) => La présence d’un objet métallique se traduit donc également par une augmentation de la valeur de C. A Fig. 10

Présence d’un objet conducteur entre les 2 électrodes

b Les différents types de détecteurs capacitifs v Détecteurs capacitifs sans électrode de masse Ils utilisent directement le principe décrit précédemment.

Un chemin vers la masse (potentiel de référence) est nécessaire pour

détecter des matériaux conducteurs (métal, eau) à des distances

importantes.

Application type : Détection de matériaux conducteurs au travers d’un

matériau isolant (C Fig.11).

v Détecteurs capacitifs avec électrode de masse Il n’est pas toujours possible de trouver un chemin à la masse. C’est le cas si l’on veut détecter la présence du matériau isolant (exemple le récipient vide en verre de l’exemple précédent). A Fig. 11

140

Détection de la présence d’eau dans un récipient en verre ou plastique

La solution est l’incorporation de l’électrode de masse sur la face de détection.

6 - Acquisition de données : détection

6.4

Les détecteurs de proximité capacitifs

Il y a création d’un champ électrique indépendant d’un chemin à la masse

(C Fig.12).

Application : Détection de tous matériaux.

Possibilité de détecter des matériaux isolants ou conducteurs derrière une

paroi isolante, ex : céréales dans une boîte en carton.

b Performances d’un détecteur capacitif La sensibilité des détecteurs capacitifs, selon l’équation de base citée précédemment, dépend tout à la fois de la distance objet - capteur et de la matière de l’objet.

v Distance de détection

Elle est liée à la constante diélectrique ou permittivité relative εr propre au matériau de l’objet visé. A Fig. 12

Principe d’un détecteur capacitif avec électrode de masse

εr

matériau Acétone

19.5

Air

Le tableau de la figure 13 donne des constantes diélectriques de quelques matériaux.

15-25

Ethanol

24

Farine

2.5-3

Verre

3.7-10

Glycérine

6

47

Mica

5.7-6.7

Papier

1.6-2.6

Nylon

4-5

Pétrole

2.0-2.2

Vernis silicone

2.8-3.3

Polypropylène

2.0-2.2

Porcelaine

5-7

Lait en poudre

3.5-4 6

Sucre

3.0

Eau

80

Bois sec

2-6

Bois vert

10-30

A Fig. 13

v Matière

1.000264

Ammoniac

Sel

Pour pouvoir détecter une grande variété de matériaux, les capteurs capacitifs sont généralement munis d’un potentiomètre permettant de régler leur sensibilité.

Constantes diélectriques de quelques matériaux

141

6 - Acquisition de données : détection 6.5

6.5

Les détecteurs photoélectriques

Les détecteurs photoélectriques Le principe des détecteurs photoélectriques les rend aptes à détecter tous types d’objets, qu’ils soient opaques, réfléchissants ou même quasi­ transparents. Ils sont aussi exploités pour la détection de personnes (ouvertures de portes, barrières de sécurité).

b Principe (C Fig.14) Une diode électroluminescente (LED) émet des impulsions lumineuses, généralement dans l’infrarouge proche (850 à 950 nm). A Fig. 14

Principe d’un détecteur photoélectrique

Cette lumière est reçue ou non par une photodiode ou un phototransistor en fonction de la présence ou de l’absence d’un objet à détecter. Le courant photoélectrique créé est amplifié et comparé à un seuil de référence pour donner une information tout ou rien.

b Différents systèmes de détection v Barrage (C Fig.14bis) Emetteur et récepteur sont placés dans deux boîtiers séparés. A Fig. 14bis

Le détection de barrage

L’émetteur, une LED placée au foyer d’une lentille convergente, crée un faisceau lumineux parallèle. Le récepteur, une photodiode (ou phototransistor) placée au foyer d’une lentille convergente, fournit un courant proportionnel à l’énergie reçue. Le système délivre une information tout ou rien en fonction de la présence ou de l’absence de l’objet dans le faisceau. Point fort : La distance de détection (portée) peut être longue (jusqu’à 50 m et plus). Elle dépend de la dimension des lentilles et donc du détecteur. Points faibles : La nécessite de 2 boîtiers et donc de 2 alimentations séparées. L’alignement pour des distances de détection supérieures à 10 m peut présenter une certaine difficulté.

A Fig. 15

Détection réflex simple

v Systèmes réflex Il y a deux systèmes dits « Réflex » : simple et à lumière polarisée. • Réflex simple (C Fig.15) Le faisceau lumineux est généralement dans la gamme de l’Infra Rouge

proche (850 à 950 nm).

Points forts : L’émetteur et le récepteur sont dans un même boîtier

(un seul câble d’alimentation). La distance de détection (portée) est

importante, bien qu’inférieure au barrage (jusqu’à 20 m ).

Point faible : Un objet réfléchissant (vitre, carrosserie de voiture, etc.)

peut être vu comme un réflecteur et ne pas être détecté.

A Fig. 16

Détection reflex à lumière polarisée

• Réflex à lumière polarisée (C Fig.16) Le faisceau lumineux utilisé est généralement dans la gamme du rouge (660 nm). Le rayonnement émis est polarisé verticalement par un filtre polarisant linéaire. Le réflecteur a la propriété de changer l’état de polarisation de la lumière. Une partie du rayonnement renvoyé a donc une composante horizontale. Le filtre polarisant linéaire en réception laisse passer cette composante et la lumière atteint le composant de réception. Un objet réfléchissant (miroir, tôle, vitre) contrairement au réflecteur ne change pas l’état de polarisation. La lumière renvoyée par l’objet ne pourra donc franchir le polariseur en réception (C Fig.17). Point fort : Ce type de détecteur résout le point faible du Réflex simple.

A Fig. 17

142

Principe de la non détection de matériaux réfléchissants

Points faibles : En contrepartie ce détecteur est d’un coût supérieur et ses distances de détection sont plus faibles : Réflex IR -->15m Réflex polarisé ---> 8m

6 - Acquisition de données : détection

6.5

Les détecteurs photoélectriques

v Système à réflexion directe (sur l’objet) • Réflexion directe simple (C Fig.18) On utilise la réflexion directe (diffuse) de l’objet à détecter.

Point fort : Le réflecteur n’est plus nécessaire.

A Fig. 18

Réflexion directe simple

Points faibles : La distance de détection de ce système est faible (jusqu’à

2 m). De plus, elle varie avec la couleur de l’objet à « voir » et du fond

devant lequel il se trouve (pour un réglage donné, la distance de détection

est plus grande pour un objet blanc que pour un objet gris ou noir) et un

arrière plan plus clair que l’objet à détecter peut rendre le système

inopérant.

• Réflexion directe avec suppression de l’arrière plan (C Fig.19) Avec ce système, la détection se fait par triangulation. La distance de détection (jusqu’à 2 m) ne dépend pas du pouvoir de réflexion de l’objet, mais uniquement de sa position : un objet clair est détecté à la même distance qu’un objet foncé. Enfin, un arrière plan situé au delà de la zone de détection sera ignoré.

v Fibres optiques • Principe Le principe de la propagation des ondes lumineuses dans la fibre optique

est la réflexion totale interne.

A Fig. 19

Réflexion directe avec suppression de l’arrière plan

Il y a réflexion totale interne lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu à

un autre, ce dernier ayant un indice de réfraction plus faible. De plus, la

lumière est réfléchie en totalité (C Fig.20) et il n’y a aucune perte de

lumière lorsque l’angle d’incidence du rayon lumineux est plus grand que

l’angle critique [θc].

La réflexion totale interne est régie par deux facteurs : les indices de

réfraction des deux milieux et l’angle critique.

Ces facteurs sont reliés par l’équation suivante :

En connaissant les indices de réfraction des deux matériaux de

l’interface, l’angle critique peut facilement être calculé.

A Fig. 20

Principe de la propagation des ondes lumineuses dans la fibre optique

Physiquement, l’indice de réfraction d’une substance est le rapport entre

la vitesse de la lumière dans le vide (c) et sa vitesse dans le matériau (v).

L’indice de l’air est considéré égal à celui du vide, puisque la vitesse de la lumière dans l’air est à peu près égale à celle dans le vide. • Différents types de fibres optiques Il y a donc plusieurs types de fibres optiques : les multimodes et les monomodes (C Fig.21). - Multimode Ce sont des fibres dont la partie centrale, qui conduit la lumière, a un diamètre grand devant la longueur d’onde utilisée (φ 9 à 125 µm, Lo = 0.5 à 1 mm). Dans ces fibres, deux types de propagation sont utilisés : à saut d’indice ou à gradient d’indice. - Monomodes Celles-ci ont par contre le diamètre du conduit de lumière très petit devant la longueur d’onde utilisée (φ 800 MHz).

6 - Acquisition de données :

détection

6.7

La détection RFID -Radio Frequency IDentification­

• Un circuit logique de traitement Son rôle est d’assurer l’interface entre les ordres captés par l’antenne et la mémoire. Sa complexité est fonction des applications, de la simple mise en forme jusqu’à l’utilisation d’un microcontrôleur (ex. cartes de paiement sécurisées avec algorithmes de cryptage). • Une mémoire Plusieurs types de mémoires sont utilisées pour stocker les informations dans les étiquettes électroniques (C Fig.31). Type

Avantages

Inconvénients

ROM

• Bonne résistance aux températures élevées

• Lecture seule

• Prix faible EEPROM

• Pas de pile ou batterie de sauvegarde

• Temps d’accès relativement long en lecture ou écriture • Nombre d’écritures limité à 100 000 cycles par octet

RAM

• Rapidité d’accès aux données

• Nécessite d’embarquer une pile de sauvegarde dans l’étiquette

• Capacité élevée • Nombre illimité de lectures ou d’écritures FeRAM (ferroélectrique)

• Rapidité d’accès aux données

• Nombre de lectures et d’écritures limité à 10 12

• Pas de pile ou batterie de sauvegarde • Capacité élevée

A Fig. 31

6

Différents types de mémoires utilisées pour stocker les informations dans les étiquettes électroniques

Les capacités de ces mémoires vont de quelques octets jusqu’à plusieurs dizaines de k octets. a

b

Certaines étiquettes dites « actives » embarquent une pile destinée à alimenter leur électronique. Cette configuration permet d’augmenter la distance de dialogue entre l’étiquette et l’antenne, mais exige de remplacer régulièrement la pile.

v Un boîtier

A Fig. 32 a et b

Différentes formes d’étiquettes RFID adaptées à leur usage

Des boîtiers adaptés à chaque type d’application ont été créés pour réunir et protéger ces trois éléments actifs d’une l’étiquette, par exemple : (C Fig.32a) - Badge format carte de crédit, pour contrôle d’accès des personnes, - Support adhésif, pour identification des livres dans les bibliothèques, - Tube verre, pour identification des animaux domestiques (injection sous la peau à l’aide d’une seringue), - « Boutons » en plastique, pour identification des vêtements et linges, - Plaquette pour le suivi des courriers. Il existe beaucoup d’autres présentations : porte-clé, « clou » en plastique

pour identification de palettes en bois, ou encore des boîtiers résistants

aux chocs et aux produits chimiques (C Fig.32b), pour des applications

industrielles (traitement de surface, fours, etc.).

v Les stations :

A Fig. 33a

A Fig. 33b

Station d’interface RFID

Photographie d’un lecteur RFID (Station

Telemecanique Inductel)

Une station (C Fig.33a) joue le rôle d’interface entre le système de

gestion (automate programmable, ordinateur, etc.) et l’étiquette

électronique, via un port de communication adapté (RS232, RS485,

Ethernet, etc.).

Elle peut également intégrer un certain nombre de fonctions complémentaires, adaptées en fonction des applications : - entrées/sorties tout ou rien, - traitement local pour fonctionnement en autonome, - pilotage de plusieurs antennes, - détection avec une antenne intégrée pour obtenir un système compact (C Fig.33b).

147

6 - Acquisition de données :

détection

6.7

La détection RFID -Radio Frequency IDentification­

v Antennes Les antennes sont caractérisées par leurs dimensions (qui déterminent la forme de la zone dans laquelle elles vont pouvoir échanger les informations avec les étiquettes) et la fréquence du champ rayonné. L’utilisation de ferrites permet de concentrer les lignes de champ électromagnétique de façon à augmenter la distance de lecture (C Fig.34) et à diminuer l’influence de masses métalliques qui pourraient être à proximité de l’antenne. A Fig. 34

Influence d’une antenne en ferrite sur les lignes de champ électromagnétique

Les fréquences utilisées par les antennes sont réparties sur plusieurs bandes distinctes, chaque bande présentant des avantages et des inconvénients (C Fig.35).

Fréquence

Avantages

Inconvénients

Application typique

125-134 khz (BF)

• Immunité à l’environnement (métal, eau, etc.)

• Faible capacité mémoire • Temps d’accès long

• Identification des animaux domestiques

13.56 Mhz (HF)

• Protocoles de dialogue antenne/étiquette normalisées (ISO 15693 - ISO 14443 A/B)

• Sensibilité aux environnements métalliques

• Suivi des livres dans les bibliothèques • Contrôle d’accès • Paiements

850 - 950 Mhz (UHF)

• Coût très faible des étiquettes • Distance de dialogue importante (plusieurs mètres)

• Plages de fréquences non homogènes d’un pays à l’autre • Perturbation des zones de dialogue par les obstacles (métal, eau, etc.)

• Gestion des produits dans la distribution

2.45 Ghz ) (micro-ondes

• Très grande vitesse de transfert entre antenne et étiquette • Distance de dialogue importante (plusieurs mètres)

• « Trous » dans la zone de dialogue difficiles à maîtriser • Coût des systèmes de lecture

• Suivi des véhicules (péages d’autoroutes)

A Fig. 35

Description des bandes de fréquences utilisées en RFID

Les puissances et les fréquences utilisées sont variables en fonction des applications des pays. Trois grandes zones ont été définies : Amérique du Nord, Europe, et reste du monde. A chaque zone et à chaque fréquence correspond un gabarit autorisé de spectre d’émission (norme CISPR 300330) dans lequel chaque station/antenne RFID doit s’inscrire.

v Codage et protocole Des normes internationales définissent les protocoles d’échange entre les stations et les étiquettes (ISO 15693 - ISO 14443 A/B). Il y a aussi des standards en cours de définition qui sont plus spécialisés tels que ceux destinés au domaine de la grande distribution (EPC -Electronic Product Code-) ou pour l’identification des animaux (ISO 11784).

b Performances de l’identification RFID Comparée aux dispositifs à code à barres (étiquettes ou marquages et lecteurs), l’identification RFID présente les avantages suivants : - modification des informations contenues dans l’étiquette, - lecture/écriture à travers la plupart des matériaux non métalliques, - insensibilité aux poussières, salissures, etc. - enregistrement possible de plusieurs milliers de caractères dans une étiquette, - confidentialité des informations (verrouillage de l’accès aux données contenues dans l’étiquette). Tous ces avantages concourent à son développement dans le domaine d’activités des services (ex. contrôle d’accès sur les pistes de ski) et dans la distribution. De plus, la baisse constante des prix des étiquettes RFID devrait conduire ces dispositifs RFID à remplacer les traditionnels codes à barres sur les contenants (cartons, containers, bagages) dans différents domaines tels 148

6 - Acquisition de données : détection

6.7 6.8

La détection RFID -Radio Frequency IDentification­ La vision

que la logistique et les transports, mais aussi sur les produits en cours de fabrication dans l’industrie. A noter cependant que l’idée attrayante de l’identification automatique du contenu des chariots devant les caisses des hypermarchés, sans aucune manipulation des marchandises, n’est pas encore envisageable avec ces systèmes pour des raisons physiques et techniques.

6.8

La vision b Principe C’est l’œil de la machine qui donne la vue à un automatisme.

Sur une photographie prise par une caméra, les caractéristiques

physiques de l’objet sont numérisées. Il est ainsi possible de connaître

(C Fig.36) :

- ses dimensions, - sa position, - son aspect (état de surface, couleur, brillance, présence de défaut), - son marquage (logos, caractères , etc.).

A Fig. 36

Contrôle d’une pièce mécanique. Les repères indiquent les zones vérifiées par le système

L’utilisateur peut aussi automatiser des fonctions complexes : - de mesure, - de guidage, - et d’identification.

6

b Les points clés de la vision La vision industrielle se compose d’un système optique (éclairage, caméra et optique), associé à une unité de traitement et une commande d’actionneurs. • Eclairage Il est essentiel d’avoir un éclairage spécifique et bien adapté de façon à créer un contraste suffisant et stable, pour mettre en valeur les éléments à contrôler. • Caméra et Optique Du choix de l’optique et de la caméra dépend la qualité de l’image capturée (contraste, netteté) et cela avec une distance définie caméra/objet et un objet à examiner bien déterminé (dimension, état de surface, et détail à saisir). • Unité de traitement L’image provenant de la caméra est transmise à l’unité de traitement qui contient les algorithmes de mise en forme et d’analyse d’image nécessaires à la réalisation des contrôles. Ses résultats sont ensuite transmis à l’automatisme ou commandent directement un actionneur.

v Eclairage • Les technologies d’éclairages - Eclairage à DEL (Diode Electro Luminescente) C’est l’éclairage privilégié aujourd’hui : c’est un éclairage homogène d’une durée de vie très longue (30 000 heures). Il existe en couleurs, mais le champ couvert est limité à 50 cm environ. - Eclairage à tube fluorescent haute fréquence D’une lumière blanche il a une durée de vie longue (5 000 heures), et le volume éclairé ou « champ » est important ; il dépend évidemment de la puissance lumineuse mise en œuvre. - Eclairage halogène De lumière également blanche, sa durée de vie est faible (500 heures) et nécessite une puissance très importante, il peut couvrir un champs important. 149

6 - Acquisition de données : détection

6.8

La vision

Ces éclairages peuvent être appliqués de différentes manières. Cinq systèmes sont principalement utilisés (C Fig.37) pour faire ressortir la caractéristique à contrôler : - Annulaire, - Rétro éclairage, - Linéaire direct, - Rasant, - Coaxial. Systèmes

Caractéristiques

Applications type

• Ensemble de DEL disposées en anneau

• Conseillé pour un contrôle de précision, de type marquage

Annulaire

• Système d’éclairage très puissant • Permet d’éclairer l’objet dans son axe, par-dessus

Rétro éclairage

• Éclairage placé derrière l’objet et face à la caméra

• Conseillé pour mesurer les cotes d’un objet

• Permet de mettre en évidence la silhouette de l’objet (ombre chinoise)

• ou analyser des éléments opaques

• Utilisé pour mettre en évidence une petite surface de l’objet à contrôler et créer une ombre portée

• Conseillé pour la recherche de défauts précis, le contrôle de taraudage, etc.

• Permet de faire la détection de bord

• Conseillé pour contrôler les caractères imprimés, l’état d’une surface, détecter les rayures, etc.

Linéaire direct

Rasant

• Contrôler un marquage • Détecter les défauts sur des surfaces vitrées ou métalliques

Coaxial • Permet de mettre en évidence des surfaces lisses perpendiculaires à l’axe optique en orientant la lumière vers un miroir semi-réfléchissant

A Fig. 37

150

Tableaux des différents éclairages pour la vision industrielle

• Conseillé pour contrôler, analyser et mesurer des surfaces métalliques planes ou autres surfaces réfléchissantes

6 - Acquisition de données : détection

6.8

La vision

v Les caméras et optiques • Les technologies de caméras - Caméra CCD (Charged Coupled Device) Aujourd’hui, ces caméras sont privilégiées pour leur bonne définition.

Pour les process continus, on utilise des caméras linéaires (CCD à

arrangement linéaire).

A Fig. 38

Les formats de capteurs utilisés dans l’industrie

Dans tous les autres cas, on utilise des caméras à arrangement

matriciel (CCD matriciel).

Les caméras industrielles utilisent plusieurs formats de capteur

(C Fig.38) définis en pouces : 1/3, 1/2 et 2/3 (1/3 et 1/2 : camescope,

2/3 et plus : haute résolution industrielle, télévision, etc.).

Les optiques sont dédiées à chaque format de capteur afin d’utiliser la totalité des pixels. - Caméra CMOS Progressivement supplanté par CCD

Coût attractif –> utilisation applications basiques

- Caméra Vidicon (tube)

Maintenant obsolète.

A Fig. 39

Balayage entrelacé

• Le balayage Les caméras sont soit à image entrelacée soit “Progressive scan = full

frame”.

Dans le cas où les vibrations et la prise d’image au vol sont fréquentes,

il est conseillé d’utiliser un capteur “Balayage progressif (dit Progressive

Scan)” (lecture à la volée) ou “Full Frame”.

Les capteurs CCD permettent l’exposition de tous les pixels au même

instant.

• Le balayage entrelacé Le système entrelacé est un issu de la vidéo. Son principe consiste à analyser l’image par balayage successif d’une ligne sur deux (C Fig.39).

A Fig. 40

Balayage progressif

Son objectif est d’économiser la moitié de la bande passante au prix de quelques défauts peu visibles sur un petit écran, notamment du scintillement. Une première trame, représentée avec des traits noirs, analyse les lignes impaires, la seconde en vert, analyse les lignes paires. • Le balayage progressif C’est le type d’analyse d’image exploité en informatique. Son principe est de décrire au même instant toutes les lignes de l’image (C Fig.40). Son intérêt est dans la suppression du scintillement et l’obtention d’une image stable (C Fig.41).

A Fig. 41

Comparaison des balayages

• L’optique - Les montures à visser « C » et « CS » qui ont un Ø 25.4 mm sont les plus souvent utilisées dans le milieu industriel. - La distance focale (f en mm) s’exprime directement à partir de la taille de l’objet à cadrer (H en m), de la distance D entre l’objet et l’objectif (D en m), et de la dimension de l’image (h en mm) : f= D x h/H (C Fig.42). On aura aussi angle de champ = 2 x arctg (h/(2xf)). Ainsi, plus la distance focale est faible, plus le champ couvert est grand. - Le choix du type d’objectif s’effectue donc en fonction de la distance D et de la taille du champ visualisé H.

v Unité de traitement Son électronique a deux missions : mettre en forme l’image puis analyser cette image améliorée.

A Fig. 42

La distance focale

• Algorithmes de mise en forme d’image Les pré-traitements changent la valeur de niveau de gris des pixels. Le but de ces pré-traitements est d’améliorer l’image, afin de pouvoir 151

6

6 - Acquisition de données : détection

6.8

La vision

l’analyser avec plus d’efficacité et de robustesse. Parmi ces pré­ traitements possibles, les plus employés sont : - la binarisation, - la projection, - l’érosion / dilatation, - l’ouverture / fermeture. • Algorithmes d’analyse d’image. Dans le tableau de la figure 43 sont présentés différents algorithmes

d’analyse d’image.

A noter que dans la colonne « Pré-requis » sont indiqués les traitements

d’images qui précèdent cette analyse.

Algorithme d’analyse d’image

Principe de fonctionnement et utilisation privilégiée (en gras)

Pré-requis

Comptage de pixel, d’objet Présence/Absence, comptage

Binarisation et éventuellement Très rapide ( 40

Liaison parallèle X

X

Entrées parallèles

Cartes spécifiques A Fig. 55

=< 40

X X

X

X

X

Principaux types d’unités de traitement utilisés dans l’industrie

b Les capteurs de vitesse b

-c a

-a c

S

N

-b

-b'

N

S

c'

-a'

A Fig. 56

Les codeurs évoqués ci-dessus possèdent la possibilité de fournir une

information de vitesse par un traitement approprié du signal de sortie.

b'

a'

-c'

Représentation schématique d’un alternateur tachymétrique

Cependant, le tour d’horizon des capteurs ne pourrait être complet sans

évoquer les capteurs analogiques de vitesse. Ils sont principalement

utilisés pour les asservissements de vitesse et en particulier associés

aux variateurs pour moteur à courant continu. Pour le fonctionnement en

boucle fermé des convertisseurs de fréquence, les variateurs modernes

utilisent un capteur de vitesse virtuel, qui à partir de grandeurs

électriques mesurés dans le variateur reconstituent la vitesse réelle de

la machine.

v Alternateur tachymétrique

Ce capteur de vitesse (C Fig.56) est constitué d’un stator comportant

plusieurs enroulements et d’un rotor incorporant des aimants.

Cette machine est similaire à un alternateur.

La mise en rotation induit des tensions alternatives dans les enroulements

statoriques.

L’amplitude du signal généré et sa fréquence sont en relation directe avec

la vitesse de rotation.

L’utilisateur peut exploiter, soit la tension (efficace ou redressée), soit la

fréquence, pour réaliser un asservissement ou une indication de la

vitesse.

En utilisant le déphasage des enroulements, le sens de rotation peut être

facilement détecté.

A Fig. 57

156

Représentation schématique d’une dynamo tachymétrique et d’une réalisation industrielle

v Dynamo tachymétrique Ce capteur de vitesse est constitué d’un stator comportant un enroulement fixe et d’un rotor incorporant des aimants (C Fig.57). Le rotor est équipé d’un collecteur et de balais.

6 - Acquisition de données : détection

6.9

Les codeurs optiques

Cette machine est similaire à une génératrice à courant continu.

Le collecteur et la nature des balais sont choisis pour limiter les tensions

de seuil et les discontinuités de la tension au passage des balais.

Le fonctionnement est possible dans une très large gamme de vitesse.

La mise en rotation induit une tension continue dont la polarité dépend du

sens de rotation et dont l’amplitude est proportionnelle à la vitesse.

L’utilisateur peut exploiter cette information : amplitude et polarité pour

réaliser un asservissement ou une indication de la vitesse.

La tension délivrée par ce type de capteur est comprise entre 10 et

60 volts/1000 tours par minute et pour certaines dynamo, programmable

par l’utilisateur.

v Les capteurs à réluctance variable Le schéma de la figure 58 représente un type de capteur.

La bobine détectrice a son noyau magnétique soumis aux flux d’induction

d’un aimant permanent. Elle est placée en regard d’un disque (roue

polaire) ou d’une pièce tournante ferromagnétique.

Le défilement des discontinuités magnétiques (dents, fentes, trous)

portées par le disque ou la pièce en rotation provoque une variation

périodique de la réluctance du circuit magnétique de la bobine qui induit

dans celle-ci une tension de fréquence et d’amplitude proportionnelles à

la vitesse de rotation.

A Fig. 58

Représentation schématique d’un capteur à réluctance variable

L’amplitude de cette tension dépend :

- de la distance bobine/pièce, - de la vitesse de rotation : elle est en principe proportionnelle à cette vitesse. A faible vitesse, l’amplitude peut être trop petite pour être détectée, en dessous de cette vitesse limite, le capteur devient inutilisable. L’étendue de mesure dépend du nombre de discontinuités magnétiques portées par la pièce tournante. La vitesse minimale mesurable est d’autant plus basse que le nombre de pas est élevé. En contrepartie, la vitesse maximale mesurable est d’autant plus élevée que le nombre de pas est faible, en raison de la difficulté de traiter des signaux de fréquence élevée. Les possibilités de mesure varient d’une plage de 50 tr/mn à 500 tr/mn avec une roue polaire de 60 dents à une plage de 500 tr/mn à 10 000 tr/mn avec une roue polaire de 15 dents. Le tachymètre à courant de Foucault est constitué de manière similaire et est utilisable en regard d’une pièce tournante métallique non ferromagnétique. L’ensemble bobine aimant permanent est remplacé par un circuit oscillant. La bobine, qui est la tête de mesure, constitue l’inductance L du circuit d’accord d’un oscillateur sinusoïdal. L’approche d’un conducteur métallique modifie les caractéristiques L et R de la bobine. La rotation d’une roue dentée devant la bobine produit au passage de chaque dent l’interruption de l’oscillateur qui est détectée, par exemple, par la modification du courant d’alimentation de l’oscillateur. Le signal correspondant a une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation et son amplitude, n’étant pas ici déterminée par la vitesse de rotation est indépendante de cette vitesse. Il en résulte que ce type de capteur est utilisable aux faibles vitesses. Ce type de capteur peut également être utilisé pour des mesures de sous ou sur vitesse par exemple « Détecteur applicatif inductif pour contrôle de rotation » de Telemecanique XSAV…. ou XS9….

157

6

6 - Acquisition de données : détection 6.10

6.10

Les pressostats et vacuostats

Les pressostats et vacuostats b Qu’est ce que la pression ? La pression est le résultat d’une force appliquée sur une surface. Si P est

la pression, F la force et S la surface, on a la relation P=F/S.

La terre est entourée d’une couche d’air qui a une certaine masse et donc

exerce une certaine pression appelée « Pression atmosphérique ».

La pression atmosphérique est donnée en hpa (hectopascal) ou

mbar. 1hPa = 1mbar.

a

A Fig. 59

b

c

Exemple de détecteurs de pression (marque Telemecanique) a : Pressostat électromécanique type XML-B b : Pressostat électronique type XML-F c :Transmetteur de pression type XML-G

L’unité internationale de pression est le pascal (Pa) : 1 Pa= 1N/1m2

Une unité plus pratiquée est le bar : 1bar = 105Pa = 105N/m2 = 10N/cm2

Pressostats, vacuostats et transmetteurs de pression ont pour fonction de

contrôler, réguler ou mesurer une pression ou une dépression dans un

circuit hydraulique ou pneumatique.

Les pressostats ou vacuostats transforment un changement de pression

en signal électrique “Tout ou Rien” lorsque les points de consigne affichés

sont atteints. Ils peuvent être de technologie électromécanique ou

électronique (C Fig.59).

Les transmetteurs de pression (également appelés capteurs analogiques)

transforment la pression en un signal électrique proportionnel et sont de

technologie électronique.

b Les détecteurs pour le contrôle de pression v Principe A Fig. 60

Principe d'un détecteur de pression électromécanique (marque Telemecanique)

Les appareils électromécaniques utilisent le déplacement d’une

membrane, d’un piston ou d’un soufflet pour actionner mécaniquement

des contacts électriques (C Fig.60).

Les détecteurs de pression électroniques de marque Telemecanique

sont équipés d’une cellule céramique piezo-résistive (C Fig.61). La

déformation due à la pression est transmise aux résistances « couche

épaisse » du pont de Wheaston sérigraphié sur la membrane céramique.

La variation de résistance est ensuite traitée par l’électronique intégrée

pour donner un signal tout ou rien ou proportionnel à la pression

(ex. 4-20mA , 0-10v…).

Le contrôle ou la mesure de pression résultent de la différence entre les

pressions régnant des deux côtés de l’élément soumis à la pression.

Selon la pression de référence, on utilise la terminologie suivante :

Pression absolue : mesure par rapport à un volume scellé, généralement

sous vide.

Pression relative : mesure par rapport à la pression atmosphérique.

Pression différentielle : mesure la différence entre deux pressions.

A Fig. 61

Coupe d'un détecteur de pression (marque Telemecanique)

A noter que les contacts électriques de sortie peuvent être :

- de puissance, bipolaires ou tripolaires, pour commander directement des moteurs monophasés ou triphasés (pompes, compresseurs, etc.), - ou standard, pour commander des bobines de contacteurs, relais,

électrovannes, entrée d’automates, etc.

v Terminologie (C Fig.62) • Terminologie générale

A Fig. 62

158

Représentation graphique des termes couramment employés

- Plage de fonctionnement C’est l’intervalle défini par la valeur minimale de réglage du point bas (PB) et la valeur maximale de réglage du point haut (PH) pour les pressostats et vacuostats. Elle correspond à l’étendue de mesure pour les transmetteurs de pression (appelés aussi capteurs analogiques). A noter que les pressions affichées sur les appareils ont pour base la pression atmosphérique.

6 - Acquisition de données : détection

6.10

Les pressostats et vacuostats

- Calibre Valeur maximale de la plage de fonctionnement pour les pressostats Valeur minimale de la plage de fonctionnement pour les vacuostats.

a

- Point de consigne haut (PH) C’est la valeur de la pression maximale choisie et réglée sur le pressostat ou vacuostat à laquelle la sortie changera d’état lorsque la pression sera ascendante. b

- Point de consigne bas (PB) C’est la valeur de la pression minimale choisie ou réglée sur le pressostat ou vacuostat à laquelle la sortie du produit changera d’état lorsque la pression sera descendante. - Ecart C’est la différence entre le point de consigne haut (PH) et le point de consigne bas (PB).

c

- Appareils à écart fixe Le point bas (PB) est directement lié au point haut (PH) à travers l’écart. - Appareils à écart réglable

Le réglage de l’écart permet de fixer le point bas (PB).

A Fig. 63

Représentation graphique des termes spécifiques à l'électromécanique

• Terminologie spécifique à l’électromécanique (C Fig.63) : - Précision de l’affichage du point de consigne (C Fig.63a) C’est la tolérance entre la valeur de consigne affichée et la valeur réelle d’activation du contact. Pour un point de consigne précis (1ère installation du produit), utiliser la référence d’un dispositif d’étalonnage (manomètre, etc). - Répétabilité (R) (C Fig.63b) C’est la variation du point de fonctionnement entre deux manœuvres successives. - Dérive (F) (C Fig.63c) C’est la variation du point de fonctionnement sur toute la durée de vie de l’appareil. • Terminologie spécifique à l’électronique : - L’étendue de mesure (EM) ou plage de mesure d’un transmetteur de pression, elle correspond à l’intervalle des pressions mesurées par le transmetteur. Elle est comprise entre 0 bar et la pression correspondant au calibre du transmetteur.

A Fig. 64

Représentation graphique : a/ la linéarité. b/ l'hystérésis. c/ la répétabilité.

- La Précision est composée de la linéarité, de l’hystérésis, de la répétabilité et des tolérances de réglage. Elle s’exprime en % de la plage de mesure du transmetteur de pression (% EM). - La linéarité est la différence la plus importante entre la courbe réelle du transmetteur et la courbe nominale (C Fig.64a). - L’hystérésis est la différence la plus importante entre la courbe à pression montante et la courbe à pression descendante (C Fig.64b). - La répétabilité est la bande de dispersion maximale obtenue en faisant varier la pression dans des conditions données (C Fig.64c). - Les tolérances de réglage sont les tolérances de réglage du point zéro et de la sensibilité données par le constructeur (pente de la courbe du signal de sortie du transmetteur). - Dérives en température La précision d’un détecteur de pression est toujours sensible à la température de fonctionnement. Elle est proportionnelle à la température et s’exprime en % EM / °C.

A Fig. 65

Représentation graphique des dérives :

a/ de la sensibilité.

b/ du point zéro.

- Dérive de la sensibilité et du point zéro (C Fig.65a et b) Le point zéro corespond à la valeur du signal en l'absence de pression. La sensibilité donne le rapport entre le signal de sortie et la pression. 159

6

6 - Acquisition de données : détection

6.10

Les pressostats et vacuostats

- Pression maximale admissible à chaque cycle (Ps) Il s’agit de la pression que peut supporter le détecteur de pression à chaque cycle sans incidence sur sa durée de vie. Elle est égale au minimum à 1.25 fois le calibre de l’appareil. - Pression maximale admissible accidentellement Il s’agit de la pression maximale, hors chocs de pression, à laquelle le détecteur de pression peut être soumis occasionnellement sans que cela cause des dommages à l’appareil. - Pression de rupture Il s’agit de la pression au-delà de laquelle le détecteur de pression risque de présenter une fuite, voire un éclatement de sa mécanique. Toutes ces définitions relatives aux pressions sont essentielles en terme de choix pour une parfaite adéquation des capteurs aux besoins et notamment pour s’assurer de leur capacité à être utilisés dans des circuits hydrauliques où des phénomènes transitoires sévères peuvent apparaître tels que des « Coups de bélier ».

v Autres caractéristiques des détecteurs de présence Les différentes technologies de détection ont été présentées dans ce

document.

Chacune apporte des avantages particuliers et des limites d’emploi.

Pour choisir une technologie plutôt qu’une autre, d’autres critères sont

aussi à prendre en compte et font l’objet de tableaux de choix inclus dans

les catalogues des constructeurs. Parmi ceux-la, et selon les détecteurs,

il faut notamment prendre en compte :

- les caractéristiques électriques, - les contraintes d’environnement, - les possibilités/facilités de mise en œuvre.

A Fig. 66

b Critères de choix Raccordement 2 fils et 3 fils

Les paragraphes suivants donnent quelques exemples de critères qui, sans être centrés sur la fonction de base, apportent des avantages dans la mise en œuvre et l’exploitation. Toutes ces informations figurent dans les catalogues des constructeurs et permettent la sélection la plus appropriée du dispositif.

v Les caractéristiques électriques • La tension d’alimentation qui peut être AC ou DC en tenant compte de la plage de variation. • Les techniques de commutation de la charge, “2 fils” ou “3 fils” (C Fig.66). Technique “2 fils” : le détecteur est alimenté en série avec la charge, donc sujet à un courant résiduel à l’état ouvert et à une tension de déchet à l’état fermé. La sortie peut être normalement ouverte ou normalement fermée (NO/NC) et, la plus part du temps, être protégée contre les courts circuits. Technique “3 fils” : Le détecteur possède deux fils d’alimentation et un fil pour la transmission du signal de sortie (ou plus dans le cas des produits à plusieurs sorties). La sortie peut être de type transistorisé PNP ou NPN. Ces deux techniques, sont communes à de nombreux constructeurs, mais il est important de porter une attention particulière aux courants résiduels et aux chutes de tension aux bornes des détecteurs : leurs faibles valeurs garantissent une meilleure compatibilité avec tous les types de charge.

v Contraintes d’environnement • Electriques : - immunité aux - immunité aux - immunité aux - immunité aux 160

parasites de lignes, radios fréquences, chocs électriques, décharges électrostatiques.

6 - Acquisition de données :

détection

6.10 6.11

Les pressostats et vacuostats Conclusion

• Thermiques Généralement de -25 à +70° jusqu’à -40 à +120°C. • Humidité/poussières Degré de protection de l’enveloppe (étanchéité) : IP 68 par exemple pour un travail sous huile de coupe dans machines outils.

v Les possibilités/facilités de mise en œuvre -

6.11

Forme géométrique (cylindrique ou parallélépipédique), Boîtier métal/plastique, Noyable/non noyable dans un bâti métallique, Dispositifs de fixation, Raccordement, par câble ou connecteur, Fonctions d’auto apprentissage.

Conclusion b Et l’avenir ? Les performances des capteurs électroniques vont encore augmenter grâce à l’évolution de l’électronique, tant en ce qui concerne les caractéristiques électriques des composants que de leurs dimensions. Ainsi avec le boom des télécommunications (Internet, téléphones portables), les fréquences de travail de l’électronique ont augmenté, de quelques centaines de MHz aux Ghz. De ce fait, il est par exemple possible de mesurer plus facilement les vitesses de propagation des ondes et ainsi de s’affranchir de phénomènes physiques locaux. De plus, les technologies de type Bluetooth ou Wi FI donnent la possibilité de réaliser des capteurs sans fils, avec des liaisons radio à des fréquences de l’ordre de 2.4 Ghz. Un autre intérêt de l’électronique moderne est dans le traitement numérique du signal : la baisse du coût des micro-contrôleurs permet d’ajouter des fonctions évoluées à des capteurs simples (auto réglage à l’environnement avec la prise en compte de la présence d’humidité, de fumée ou d’éléments métalliques proches, capteur “intelligent” à même de s’auto-contrôler). En fait, les capteurs électroniques, grâce à cette évolution technique, seront mieux adaptés aux besoins initiaux et plus facilement adaptables lors des changements de process et tout cela pour un coût quasiment stable. Mais cette démarche d’innovation nécessite des investissements importants que seuls, maintenant, les grands fabricants de capteurs sont à même d’engager.

b De l’importance des capteurs Tous les concepteurs et exploitants de systèmes automatiques, de la simple porte de garage à la chaîne de production, savent bien que la bonne marche d’un automatisme dépend du choix des détecteurs qui concourent à : - sécuriser les personnes et les biens, - fiabiliser l’automatisme d’un processus industriel,

- optimiser la conduite des équipements industriels,

- contrôler les coûts d’exploitation. Mais ces détecteurs ont des exigences quant à leur mise en œuvre et leur exploitation, exigences inhérentes à leurs technologies. Le tableau de la figure 67 liste les caractéristiques comparées des différentes technologies. Cette présentation doit vous permettre de mieux appréhender les limites d’emploi et les réglages nécessaires de tous ces capteurs. En cas de doute ou de difficulté pour le choix du capteur, il pourra être nécessaire de consulter les spécialistes des fabricants. 161

6

6 - Acquisition de données : détection 6.12

6.12

Guide de choix des différentes technologies

Guide de choix des différentes technologies

Objet détecté

Distance de détection Environnement

Technologie

Transfert et mise en forme

Avantages

Pièces indéformables

Par contact 0 à 400mm (par levier)

Mécanique

Contact électromécanique

Intuitif, contact sec de forte puissance Contact positif

Pièces métalliques

--> 60mm

Inductive

Statique tout ou rien ou analogique

Robuste, étanche Difficilement perturbable

Aimants

--> 100mm

Magnétique

Contact reed

Détecte à travers tous les métaux non ferreux

Tous types

--> 300m

Sans poussière Sans présence de fluides

Photoélectrique

--> 60 mm

Sec

Capacitive

--> 15m

Sans bruit important (ondes de choc) Sans vapeur

Ultrasonique

Etiquette électronique, Quelques mètres livres, pièces, paquets…

Sensible aux métaux

Radio-fréquences

Objets simples à complexes

Nécessite un éclairage Optique spécifique

Toutes pièces

A Fig. 67

162

--> 1m

Guide de choix des capteurs

Grande portée Détection de tous types d'objets Statique tout ou rien ou analogique

Détection à travers tous les matériaux non conducteurs Robuste Détecte les matériaux transparents et les poudres

Données numériques

Etiquette à lecture écriture, traçabilité

Algorithme de reconnaissance Données numériques ou analogiques

Contrôle de présence, de forme, de couleurs

6

163

7 164

chapitre Sécurité des personnes et des biens Rappel de la réglementation européenne concernant la sécurité des personnes et de l'environnement, et des normes IEC pour les machines et les produits. Exemples d'application, de produits et de réseaux de sécurité

7. Sécurité des personnes et des biens

Sommaire

1 2 7.1

Introduction

166

7.2

Les accidents industriels

167

7.3

La législation européenne et les normes

169

7.4

Le concept de fonctionnement sûr (safe operation)

176

7.5

La certification et le marquage CE

177

7.6

Les principes pour les organes de la sécurité

179

7.7

Les fonctions de sécurité

180

3 4 5 6 7

7.8

La sécurité des réseaux

182

7.9

Exemple d’application

183

7.10

Les fonctions et les produits de sécurité

185

7.11

Conclusion

186

8 9 10 11 12 M

165

7. Sécurité des personnes et des biens

7.1

Introduction

Après la présentation et la définition des règles qui régissent la sécurité, nous allons nous consacrer aux machines ainsi qu’à la technologie des différents produits, afin de satisfaire aux besoins des clients et de résoudre les différentes contraintes imposées par la législation.

7.1

Introduction b Le rôle de la sécurité et définitions La loi exige que des mesures préventives soient prises pour préserver et protéger la qualité de l’environnement, ainsi que la santé humaine. Pour atteindre ces objectifs, le législateur a élaboré des directives européennes qui doivent être mises en application par les utilisateurs des moyens de production, ainsi que par les fabricants d’équipements et de machines. Il fixe également la responsabilité vis-à-vis des éventuels accidents. • En dépit des contraintes imposées, la sécurité des machines présente les retombées positives ci-dessous - Mise en échec des accidents industriels. - Protection des travailleurs et du personnel par des mesures de sécurité appropriées qui prennent en compte l’usage de la machine et l’environnement local. • Cela permet de réduire les coûts directs et indirects associés - En réduisant les dommages physiques. - En réduisant les primes d’assurance. - En réduisant les pertes de productions et les éventuelles pénalités de retard. - En limitant les dommages et les frais dûs à la maintenance.

A Fig. 1

La sûreté et la fiabilité du processus

• Un fonctionnement sûr implique deux concepts, la sûreté et la fiabilité du processus (C Fig.1) - La sécurité est la propriété d’un appareil à limiter à un niveau

acceptable les risques encourus par les personnes.

- La fiabilité de fonctionnement est la capacité d’un système ou d’un appareil à réaliser la fonction pour laquelle il a été défini à n’importe quel moment et pour un temps spécifié. • La sécurité doit être prise en compte dès le début du projet et maintenue pendant toute la durée de vie de la machine, depuis le transport, l'installation, la mise en route, la maintenance, jusqu'au démantèlement • Les machines et les usines sont sources de risques potentiels et la Directive Machine exige une étude des risques pour tout ensemble, afin de réduire cette éventualité en dessous du risque tolérable • La norme EN 1050 définit le risque de la manière suivante (C Fig.2) le risque est la sévérité multipliée par la possibilité d’apparition

Probabilité d’apparition Risque lié au danger potentiel

A Fig. 2

166

Sévérité

=

des dommages liés au danger potentiel

Définition du risque

x

- fréquence et durée d’exposition - possibilité d’éviter ou de limiter la probabilité d’apparition de l’événement qui peut occasionner des dommages

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.1 7.2

Introduction Les accidents industriels

• La norme européenne EN 1050 (principe de l’analyse des risques) Elle définit un processus itératif pour réaliser la sécurité des machines. Selon celui-ci, le risque pour chaque danger potentiel peut être déterminé en quatre étapes. Cette méthode fournit une base pour la réduction indispensable des risques en utilisant les catégories décrites par la norme EN 954. Le diagramme de la figure 3 illustre ce processus et nous le décrirons en détail par la suite.

7 A Fig. 3

7.2

Le processus de sécurité des machines

Les accidents industriels Un accident industriel se déroule pendant le travail ou sur le lieu de travail et occasionne des blessures bénignes ou sérieuses aux personnes qui utilisent la machine, qui l’alimentent ou qui effectuent un travail particulier sur celle ci (régleurs, opérateurs, personnels de maintenance, etc.).

b Les facteurs déclencheur d’accidents sur le lieu de travail • Facteurs humains (concepteurs ou utilisateurs) - Insuffisance des études préalables. - Prises de risque dues aux habitudes et mépris du danger. - Mésestimation du danger conduisant à ignorer les barrières de sécurité. - Perte d’attention vis-à-vis des tâches à accomplir (fatigue). - Non suivi des procédures. - Conditions de travail stressantes (bruit, cadence de production). - Précarité du travail qui peut conduire à un manque de formation. - Maintenance inadaptée ou de mauvaise qualité conduisant à des

risques non soupçonnés.

167

7. Sécurité des personnes et des biens

7.2

Les accidents industriels

• Facteurs liés à la machine - Barrières de sécurité inappropriées. - Sophistication de la nature du contrôle et de la supervision. - Dangers potentiels inhérents au fonctionnement propre de la machine (mouvements de va-et-vient, démarrages ou arrêts intempestifs). - Machines inadaptées à l’application ou à l’environnement (alarmes inaudibles en raison du bruit ambiant). • Facteurs liés au fonctionnement de l’usine - Personnel passant de machines en machines (lignes de production automatisées). - Machine provenant de différents constructeurs et utilisant des

technologies différentes.

- Circulation de matériel ou de produits entre les machines.

b Les conséquences - Risque de blessures plus ou moins graves pour les utilisateurs. - Arrêt de la machine impliquée. - Arrêt des machines similaires pour un examen, par exemple par les services de santé et de sécurité. - Si nécessaire, modification pour rendre les machines conformes aux règles de sécurité. - Changement de personnel et formation de nouvelles personnes pour accomplir le travail. - Détérioration de l’image de l’entreprise.

b Conclusion Les blessures des personnels dans l’Union Européenne occasionnent une

dépense d’environ 20 milliards d’Euros.

Des actions énergiques sont indispensables pour réduire le nombre

d’accidents sur le lieu de travail. Dans l’entreprise, les premières et les

plus essentielles sont des stratégies et une organisation efficaces.

La réduction du nombre d’accidents industriels et des blessures

occasionnées passe par la sûreté des machines et des équipements.

b Types de dangers potentiels Les dangers potentiels d’une machine peuvent être classés en trois groupes principaux illustrés à la figure 4.

A Fig. 4 168

Les principaux risques d’une machine

7. Sécurité des personnes et des biens 7.3

7.3

La législation européenne et les normes

La législation européenne et les normes Le but principal de la directive machine 98/37/CE est d’imposer au fabriquant un niveau de sécurité minimum pour les machines et les équipements vendus dans l’Union Européenne. Afin d’autoriser la libre circulation des machines et équipements à l’intérieur de la Communauté européenne, le marquage CE doit être apposé sur le bien et l’acheteur reçoit une déclaration de conformité. Cette directive, obligatoire depuis 1995, est mise en application depuis janvier 1997 pour toutes les machines. L’utilisateur a des obligations définies par les directives de santé et de sécurité 89/655/CEE qui s'appuient sur l’ensemble des normes.

b Les normes v Introduction Les normes de sécurité européennes harmonisées établissent des spécifications techniques qui sont en rapport avec les exigences mini­ males de sécurité définies dans les directives associées. Le respect des normes européennes harmonisées garantit la conformité avec les directives correspondantes. Le but premier est de garantir un niveau de sécurité minimum pour les machines et les équipements vendus dans l’Union Européenne et autoriser la libre circulation des machines et des équipements à l’intérieur de la Communauté européenne.

v Les 3 familles de normes européennes • Normes de type A Ce sont les normes de référence qui spécifient les concepts élémentaires, les principes d’études et les aspects généraux valables pour tout type de machine. EN ISO 12100 (anciennement EN 292). • Normes de type B Ce sont les normes relatives aux aspects particuliers de la sécurité ou axées sur un dispositif spécifique utilisable sur un large éventail de machines. • Normes de type B1 Ce sont des normes relatives à des caractéristiques spécifiques des équipements électriques des machines, EN 60204-1 (ex : bruit, distances de sécurité, dispositifs de contrôle, etc.). • Normes de type B2 Ce sont des normes relatives aux dispositifs de sécurité d’arrêt d’urgence y compris les commandes bimanuelles, (EN 574) les barrière de sécurité (EN 418), etc. • Normes de type C Ce sont des normes relatives aux différentes familles ou aux différents groupes de machine (ex : presses hydraulique EN 693, robots , etc.) et donnant les prescriptions détaillées applicables. La figure 5 donne un aperçu non exhaustif des différentes normes.

A Fig. 5

Les différentes normes 169

7

7. Sécurité des personnes et des biens

7.3

La législation européenne et les normes

La liste figure 6 énumère, sans les citer toutes les normes européennes relatives à la sécurité. Standards

EN ISO

12100-1, -2

A

Sécurité des machines - Notions fondamentales Part. 1 Terminologie méthodologie Part. 2 Principes techniques

EN 574

B

Commandes bimanuelles - règles d’études

EN 418

B

Dispositifs d’arrêt d’urgence - règles d’études

EN 954-1

B

Prescriptions de sécurité - règles d’études

EN 349

B

Distance minimales pour éviter l’écrasement des

personnes

EN 294

B

Distances de sécurité pour empêcher l'atteinte des zones dangereuses par les membres supérieurs

EN 811

B

Distances de sécurité pour empêcher l'atteinte des

zones dangereuses par les membres inférieurs

EN 1050

B

Sécurité des machines - Principes pour

l'appréciation du risque

EN 60204-1

B

Sécurité des machines - Équipement électrique des machines - Part. 1 : prescriptions générales

EN 999

B

Positionnement des équipements de protection en fonction de la vitesse d'approche des parties du corps

EN 1088

B

Dispositifs de verrouillage associés à des protecteurs - Principes de conception et de choix

EN 61496

B

Équipements de protection électro-sensibles

EN 60947-5-1 B

Appareils électromécaniques pour circuits de commande

N 842

B

Signaux visuels de danger - Exigences générales,

conception et essais

EN 201

C

Machines pour le caoutchouc et les matières plastiques - Machines à injecter - Prescriptions de sécurité

EN 692

C

Presses mécaniques - Sécurité

EN 693

C

Sécurité - Presses hydrauliques

EN 289

C

Machines pour les matières plastiques et le caoutchouc - Presses - Prescriptions de sécurité

EN 422

C

Machines de moulage par soufflage pour la fabrication des corps creux - Prescriptions pour la conception et la construction

EN 775

C

Robots manipulateurs industriels - Sécurité

EN 415-4

C

Sécurité des machines d'emballage Part. 4 : palettiseurs et dé palettiseurs

EN 619

C

Prescriptions de sécurité et de CEM pour les équipements de manutention mécanique des charges isolées

EN 620

C

Prescriptions de sécurité et de CEM pour les transporteurs à courroie fixes pour produits en vrac

EN 746-3

C

Équipements thermiques industriels Part. 2 : prescriptions de sécurité pour la génération et l'utilisation des gaz d'atmosphère

EN 1454

C

Tronçonneuses à disque, portatives, à moteur thermique - Sécurité.

A Fig. 6

170

Type Sujet

Quelques normes de sécurité machine

7. Sécurité des personnes et des biens

7.3

La législation européenne et les normes

v La norme EN 954-1 Parties des systèmes de commande relatives à la sécurité En mars 1997, la norme EN 954-1 Parties des systèmes de commande relatives à la sécurité a été mise en vigueur. Cette norme de Type B fournit des prescriptions de sécurité et des conseils sur les principes de conception des parties des systèmes de commandes relatives à la sécurité. Pour ces parties, elle spécifie des catégories et décrit les caractéristiques de leurs fonctions de sécurité. Dans les normes de type C, ces parties de système sont appelées catégories. Dans cette norme, les performances de sécurité en relation avec le degré d’occurrence des défauts sont classées en cinq catégories (B, 1, 2, 3, 4). Une évolution (EN ISO 13849-1 PR) est en projet. • Catégories de défaillance (C Fig.7) Comportement du système

Principes pour obtenir la sécurité

B

Une faute peut conduire à une perte de la fonction de sécurité.

Choix du composant approprié

1

Même résultat qu’en B mais exigence d’une meilleure fiabilité de la fonction sécurité.

Choix du composant approprié

2

Une faute peut conduire à une perte de la fonction de sécurité entre deux inspections périodiques et la perte de la fonction de sécurité est détectée par le contrôle (à chaque test).

Auto contrôle

3

Si la faute est unique, la fonction de sécurité est toujours assurée. Quelques fautes seulement peuvent être détectées. L’accumulation de défauts non détectés peut conduire à la perte de la fonction sécurité.

Redondance

Quand des fautes surviennent la fonction de sécurité est toujours assurée. Les fautes seront détectées à temps afin de ne pas perdre la fonction de sécurité.

Redondance + auto contrôle

4

A Fig. 7

7 +

Les cinq catégories de défaillance

• Diagramme des risques Selon la définition du risque, une méthode pratique de sélection de la catégorie est proposée par la norme EN 954-1 et prend en compte : - S : La sévérité des blessures. - F : La fréquence d’occurrence et/ou l’exposition au danger potentiel. - P : La possibilité d’éviter l’accident. Les catégories résultantes définissent la robustesse envers les fautes et le comportement du système de contrôle, si une faute se produit (C Fig. 8). S

Résultat de l’accident

S1 Blessures bénignes S2 Blessures sévères, incapacité permanente, décès. F

Présence dans la zone dangereuse

F1 Rare à assez fréquente F2 Fréquent à permanente P

Possibilité de prévoyance

P1 Parfois possible P2 Virtuellement impossible A Fig. 8

Grille de choix

171

7. Sécurité des personnes et des biens

7.3

La législation européenne et les normes

Pour illustrer ce concept, nous allons procéder à une évaluation des risques sur une presse hydraulique alimentée manuellement (C Fig.9). - Gravité des blessures : S2 car risque d’invalidité. - Fréquence et exposition : F2, la présence de l’opérateur est

permanente.

- Possibilité d’interdire l’apparition du danger : P2, il est virtuellement impossible d’empêcher le danger. Le diagramme indique un risque de catégorie 4.

Pour compléter cet exemple, nous allons sélectionner une barrière à

verrouillage (norme EN 1088).

Dans cet exemple (C Fig.10), le schéma est conforme à la catégorie 4. Quand des défauts surviennent, ils sont détectés à temps pour éviter la disparition de la fonction de sécurité.

A Fig. 9

Evaluation de risque sur une presse hydraulique

A Fig. 10

Evaluation de risque sur une barrière à verrouillage

v Sécurité fonctionnelle et niveau d’intégrité de sécurité (safety integraty level SIL) Les nouvelles technologies permettent des économies qui peuvent être réalisées en mettant en place une stratégie de protection intelligente. Cette norme prend en compte l’utilisation de ces technologies dans les produits et les solutions de sécurité. Elle propose des lignes directrices pour calculer la probabilité de panne. De plus en plus de produits et de dispositifs de sécurité dédiés à la sécurité des machines incorporent des systèmes électroniques complexes programmables. En raison de cette complexité, il est dans la pratique difficile de déter­ miner le comportement de tels dispositifs en cas de défaut. C’est pourquoi la norme IEC/EN 6158 intitulée « Sécurité fonctionnelle des systèmes électriques, électroniques et électroniques programmables relatifs à la sécurité » propose une nouvelle approche en considérant la fiabilité des fonctions de sécurité. Pour l’industrie et les secteurs mettant en œuvre des processus, c’est la norme de base pour la sécurité. La norme IEC/EN 62061, quant à elle, spécifie les exigences et donne des recommandations pour la conception, l'intégration et la validation des systèmes de commande électriques, électroniques et électroniques programmables relatifs à la sécurité (SRECS) pour les machines, dans le cadre de la norme EN 61508. La norme EN 62061 est harmonisée avec la Directive machine europé­ enne. Le niveau de sécurité intégré (SIL) est la nouvelle évaluation définie par la norme IEC 61508 concernant la probabilité de défaillance d’une fonction ou d’un système de sécurité. 172

7. Sécurité des personnes et des biens

7.3

La législation européenne et les normes

• Définition de la sûreté fonctionnelle suivant la norme IEC/EN 61508 La sécurité fonctionnelle est un élément de la sécurité d’un équipement sous contrôle (Equipment Under Control : EUC).

Elle dépend du fonctionnement correct des systèmes liés à la fonction de

sécurité qui incluent des dispositifs électriques, électroniques,

électroniques programmables, ainsi que d’autres dispositifs externes qui

participent à la réduction des risques.

• Niveaux d’intégrité de sécurité (SIL) Il existe deux manières de définir le SIL, selon que le système de sécurité fonctionne en mode de faible sollicitation ou au contraire s’il fonctionne en continu ou à forte sollicitation. Le SIL est décliné en 4 niveaux (notés SIL1 à SIL4) : plus le SIL est élevé, plus la disponibilité du système de sécurité est élevée. La sécurité est obtenue par la réduction des risques (IEC/EN 61508). Le risque résiduel est celui qui reste une fois les moyens de protection pris (C Fig.11). Les systèmes de protection électriques, électroniques, électroniques programmables (systèmes E/E/EP) contribuent à la réduction des risques.

A Fig. 11

7

La réduction des risques

L’intégrité de sécurité examine la probabilité de défaillance. Pour une machine, la probabilité de défaillance dangereuse par heure d’un système de contrôle est notée PFHd dans IEC/EN 62061 (C Fig.12).

A Fig. 12

Positionnement de la norme EN 61508 et des normes qui en découlent

SIL

système de sécurité fonctionnant en mode de forte sollicitation Probabilité de défaillance dangereuse par heure (PFHd)

système de sécurité fonctionnant en mode de faible sollicitation Probabilité moyenne de défaillance à accomplir la fonction prévue (PFDa)

4

> = 10-9 to 10-8

> = 10-5 to 10-4

3

> = 10-8 to 10-7

> = 10-4 to 10-3

2

-6

> = 10 to 10

> = 10-3 to 10-2

1

> = 10-6 to 10-5

> = 10-2 to 10-1

A Fig. 13

-7

Niveau de SIL

173

7. Sécurité des personnes et des biens

7.3

La législation européenne et les normes

IEC 61508 considère deux modes de sollicitation : - forte sollicitation ou mode continu, quand le système relatif à la sécurité est sollicité plus d’une fois par an ou à une fréquence double de la fréquence de vérification du dispositif. - faible sollicitation, quand le système relatif à la sécurité est sollicité moins d'une fois par an ou à une fréquence inférieure au double de la fréquence de vérification du dispositif. Le fonctionnement à faible sollicitation est considéré par l’IEC/EN 62061

comme non applicable à la sécurité machine.

Il est à noter aussi que le niveau SIL 4 n’est pas retenu dans

IEC/EN62061, car il n'est pas applicable à la réduction des risques

normalement associée aux machines.

L’intégrité de sécurité se calcule par la probabilité de défaillance (C Fig.13)

λ qui s’exprime suivant la formule suivant λ= λs+λdd +λdu

où :

λs est le taux de défaillances sans danger

λdd est le taux de défaillances dangereuses détectées

λdu est le taux de défaillances dangereuses non détectées

Dans la pratique, la détection des défaillances dangereuses est réalisée

par des fonctions spécifiques.

Le calcul du PFHd, pour un système ou un sous système est fonction de

plusieurs paramètres :

- Le taux de défaillances dangereuses (λd) des éléments du sous

système.

- La tolérance aux fautes, c’est à dire le niveau de redondance du

système.

- L’intervalle de temps de diagnostic (T2). - L’intervalle de temps de vérification du système de sécurité (T1) ou la durée de vie (le plus petit des deux). - Le risque de défaillances communes (λ). Le graphe de la figure 14 est l’illustration de la norme IEC/EN 61508-5 et des paramètres du risque.

A Fig. 14

174

Graphe de risque

7. Sécurité des personnes et des biens Paramètre du risque Conséquences (C)

Fréquence et temps d’exposition dans la zone dangereuse(F)

Possibilité d’éviter l’événement dangereux

Probabilité d’apparition non souhaitée (W)

A Fig. 15

7.3

Classification

La législation européenne et les normes

Commentaires

C1 Blessures bénignes C2 Invalidité permanente infligée à une ou plusieurs personnes, décès d’une personne C3 Décès de plusieurs personnes C4 Décès de nombreuses personnes F1 Rare à assez fréquente exposition dans la zone dangereuse F2 Fréquente à permanente exposition dans la zone dangereuse P1 Possible sous certaines conditions P2 Presque impossible

La classification a été développée pour prendre en considération les blessures et le décès des personnes. Il serait nécessaire de développer d’autres approches vis-à-vis de l’environnement et des dégâts matériels

voir le commentaire ci-dessus

Ce paramètre prend en compte : • Le mode opératoire du processus (surveillé, exécuté par des personnes • entraînées ou non) • La rapidité d’apparition du phénomène dangereux (soudain, rapide, lent) • La facilité d’identification du phénomène dangereux (par exemple : vu immédiatement, détecté par des moyens techniques ou non) • Les possibilités d’évacuation de la zone dangereuse (sorties de secours utilisables, non utilisable ou utilisables sous certaines conditions) • Les expériences similaires qui peuvent exister W1 Très faible apparition Le but du facteur W est d’estimer la fréquence d’apparition de l’événement d’apparitions non souhaitées non souhaité sans ajouter de systèmes de sécurité de type E/E/EP et sans et très faible occurrence prendre en compte de dispositif extérieur de réduction du risque. W2 Faible apparition d’apparitions S’il n’existe aucune base d’expérience pour un cas similaire, le facteur W non souhaitées et faible peut être le résultat d’un calcul en prenant les plus mauvaises conditions. occurrences W3 Apparition d’apparitions non souhaitées relativement élevée et occurrences fréquentes

Paramètres de risques (exemple dans la norme IEC/EN 61508)

La figure 16 présente la démarche d’évaluation du risque pour une machine.

A Fig. 16

Démarche d’évaluation

175

7

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.4

7.4

Le concept de fonctionnement sûr (safe operation)

Le concept de fonctionnement sûr (safe operation) Le fonctionnement sûr est la mise en pratique des notions développées dans les paragraphes précédents et qui englobent plusieurs aspects : - L’étude et la réalisation de la machine en intégrant l’estimation du

risque.

- L’installation, l’implémentation et la validation. - L’utilisation de la machine en incluant la formation. - La maintenance avec des essais périodiques de vérification. Le concept de fonctionnement sûr peut être décliné en cinq étapes.

b Première étape : estimation du risque (normes EN ISO 1200-1, EN 1050) L’objectif est d’éliminer ou de réduire le risque et de sélectionner une solution de protection efficace pour protéger les personnes. Pour faciliter cette estimation, on utilisera la démarche itérative déjà proposée à la figure 3. Avant d’estimer le risque, il sera nécessaire d’identifier les dangers potentiels. L’utilisation d’AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance et de leur Criticité) permettra une analyse rigoureuse et exhaustive.

b Deuxième étape : décision des mesures de réduction du risque (norme EN ISO 12100-1) Eviter ou réduire le plus possible les dangers potentiels au niveau de la conception (norme EN ISO 1200-2). Utiliser les dispositifs de sécurité pour protéger les personnes contre les dangers qui ne peuvent être éliminés par des dispositions raisonnables ou ne pas être réduites à un niveau acceptable lors de la conception (normes EN 418, EN 953 barrières, EN 574 commandes bimanuelles, EN 1088 verrouillages associés aux barrières). Informer sur la manière d’utiliser la machine.

b Troisième étape : définition des exigences et des catégories (norme EN 954-1) En fonction des estimations préalables des risques, une méthode pratique de sélection d’un système de contrôle est donnée dans la norme EN 954-1.

b Quatrième étape : conception des parties du contrôle relatives à la fonction de sécurité (norme EN 954-1) A cette étape, le concepteur de la machine sélectionne les différents produits. A la fin de ce chapitre, nous proposerons quelques exemples basés sur l’utilisation des produits de sécurité Schneider Electric.

b Cinquième étape : validation du niveau de sécurité obtenue et des catégories (norme EN 954-1) La validation devra confirmer que les parties considérées du contrôle intervenant dans la sûreté sont conformes aux exigences. Cette validation doit être faite par des analyses et par des tests (norme EN 954-1 clause 9). Par exemple, l’un de ces tests est la simulation de défaut sur les circuits avec les composants réellement installés, en particulier dans le cas où il subsiste un doute du comportement des circuits vis-à-vis des études théoriques.

176

7. Sécurité des personnes et des biens 7.5

7.5

La certification et le marquage CE

La certification et le marquage CE Il y a six étapes dans le processus de certification et d’apposition du marquage CE sur les machines : 1. Appliquer toutes les directives et normes pertinentes 2. Se conformer aux exigences essentielles concernant la santé et la sûreté 3. Etablir la documentation technique 4. Procéder à l’examen de conformité 5. Etablir la déclaration de conformité 6. Apposer le marquage CE

b La Directive Machine La Directive machine est historiquement le premier exemple de la « Nouvelle approche » pour une harmonisation technique et normative des produits. Elle est basée sur : - Des exigences essentielles relatives à la santé et à la sécurité qui doivent être respectées avant que la machine soit mise sur le marché. - Une démarche volontaire d’harmonisation des normes entreprise par le Comité Européen de Nominalisation (CEN) et Comité européen de normalisation électrique (Cenelec). - Des procédures d’évaluation de conformité ajustées aux types des risques et associées aux types de machines. - Le marquage CE, apposé par le fabricant pour indiquer que la machine est conforme aux directives applicables. Les machines qui portent ce marquage sont libres de circulation dans la Communauté Européenne. La directive a simplifié considérablement les lois nationales qui étaient en vigueur et de ce fait levé nombre de barrières qui rendaient difficile le commerce dans l’Union Européenne. Cela a permis également de réduire le coût social des accidents. Les directives de la « Nouvelle Approche » ne sont applicables que pour les produits qui sont mis en circulation ou mis en service pour la première fois. La liste des machines concernées se trouve dans la Directive Machine annexe 4.

b Les exigences essentielles La directive machine annexe I regroupe les exigences essentielles relatives à la santé et à la sûreté, pour la mise sur le marché et la mise en service, en Europe, des machines et des composants de sûreté. Il en découle que : - Si les exigences de la directive sont remplies, aucun état, membre de la Communauté Européenne, ne peut s’opposer à la circulation de ce produit. - Si les exigences de la directive ne sont pas remplies, la mise sur le marché peut être interdite ou un retrait du marché peut être exigé. Dans l’Union Européenne, ceci concerne les fabricants ou leurs distributeurs mais également, les importateurs et les revendeurs qui introduisent ces machines ou les mettent en service.

b Les normes harmonisées La manière la plus simple pour démontrer la conformité avec les directives est d’être en conformité avec les Normes Européennes Harmonisées. Quand, pour un produit de l’annexe 4 de la directive machine, il n’existe pas de norme harmonisée, que les normes existantes ne sont pas pertinentes pour couvrir les exigences de sûreté essentielles ou si le fabricant considère que ces normes ne sont pas applicables à son produit, il peut alors solliciter un agrément auprès d’un organisme tiers compétent.

177

7

7. Sécurité des personnes et des biens

7.5

La certification et le marquage CE

Ceux-ci sont approuvés par les Etats Membres après avoir montré qu’ils disposent de l’expertise reconnue pour émettre une telle opinion (TÜV, BGIA, INRS, HSE, etc.) Bien que l’organisme compétent ait un certain nombre de responsabilités sous le couvert de la Directive, c’est en définitif toujours le fabricant ou son représentant qui demeurent responsable de la conformité du produit.

b Déclaration de conformité Suivant l’article 1 de la directive machine, le fabricant ou son représentant officiel établi dans la Communauté Européenne doit remplir une Déclaration Européenne de Conformité pour chaque machine (ou composant de sécurité). Ceci, dans le but de certifier que la machine ou que le composant de sécurité est en conformité avec la Directive. Avant la mise sur le marché, le fabriquant ou son représentant doit remplir un dossier et le soumettre aux autorités compétentes.

b Marquage CE Pour terminer, le marquage CE doit être appliqué sur la machine par le fabricant ou son représentant officiel dans la Communauté Européennes. Ce marquage est obligatoire depuis le 1er janvier 1995 et ne peut être fait que si la machine respecte l’ensemble des directives applicables comme par exemple : - La directive Machine 98/37/EC - La compatibilité électromagnétique (EMC) 89/336/EEC - La directive basse tension 73/23/EEC Il existe d’autres directives comme la protection des personnes, les ascenseurs, les appareils médicaux etc., qui peuvent également être applicables. Le marquage CE est le passeport de la machine dans la Communauté Européenne, ce qui permet de les commercialiser dans tous les pays de la communauté sans prendre en considération les règlements propres aux pays. La méthodologie du marquage CE est résumée à la figure 17.

A Fig. 17

178

Méthodologie du marquage CE

7. Sécurité des personnes et des biens 7.6

7.6

Les principes pour les organes de la sécurité

Les principes pour les organes de la sécurité b Ligne directrice pour réaliser un contrôle de sécurité La norme EN 954-1 définit les exigences de sécurité relatives aux organes

de sécurité d’un système de contrôle.

La norme définit 5 catégories et décrit les propriétés particulières de leurs

fonctions de sécurité qui sont :

- Les principes de sécurité de base. - Les principes de sécurité éprouvés. - Les composants de sécurité éprouvés.

A Fig. 18

Quelques exemples de système électriques éprouvés

Pour illustrer la notion de principe de sécurité éprouvé, voici un extrait de la liste citée dans la norme EN 945-2 : - Utiliser des contacts liés mécaniquement. - Utiliser des câbles à un seul conducteur pour éviter les courts circuits. - Prévoir des espacements pour éviter les courts circuits. - Eviter les conditions indéfinies : construire des systèmes de contrôle déterministes. - Utiliser un mode d’activation positive. - Surdimensionner. - Simplifier le système de contrôle. - Utiliser des composants avec un mode de défaillance. - Utiliser des temporisateurs sans alimentation utilisant l’énergie d’un condensateur. - Prévoir de la redondance (doublement des composants critiques). Voici également quelques exemples pour des systèmes électriques (C Fig.18) : - Interrupteurs avec mode d’activation positive. - Arrêts d’urgence (suivant la norme EN 60947-5-5). - Interrupteur de puissance. - Contacteur principal (seulement quand les exigences additionnelles de la norme sont remplies). - Contacteurs auxiliaires avec contacts liés mécaniquement, (seulement quand les exigences additionnelles de la norme sont remplies). - Vanne électromagnétique. Les paragraphes qui suivent donneront au lecteur un certain nombre d’informations sur des notions techniques connues principalement par des spécialistes.

A Fig. 19

Principe de l’activation positive

b Activation positive C’est une action d’ouverture de circuit directe (IEC 60947-5-1) qui signifie que la séparation des contacts est le résultat d’un mouvement de l’interrupteur par un dispositif rigide. La figure 19 illustre comment l’ouverture des contacts normalement fermés est garantie par le mouvement de la tige rigide et est indépen­ dante de ressorts.

A Fig. 20

Symbole de contact à ouverture directe

Tout élément de contact avec action d’ouverture de circuit doit être identifié, à l’extérieur, de manière claire et indélébile par le marquage de la figure 20.

b Contacts liés mécaniquement Les relais, contacteurs et interrupteurs comprennent habituellement une série de contacts. Pour des opérations de sécurité, il est nécessaire de connaître la position de chacun de ces contacts, quand ils sont utilisés dans une chaîne de sécurité et ce pour tous les cas de figure. Dans ces conditions, il est possible de déterminer le comportement du circuit en cas de défaut. Les contacts liés mécaniquement donnnent une solution pour répondre à cette exigence (C Fig.21). A Fig. 21

Contacts mécaniquement liés

179

7

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.6 7.7

Les principes pour les organes de la sécurité Les fonctions de sécurité

La norme (IEC/ EN 60947-5-1) définit les contacts liés mécaniquement de la manière suivante : “[ …] une combinaison de n contacts fermés au repos et de b contacts à ouverts au repos agencés de telle sorte qu’ils ne peuvent être fermés simultanément. Quand un contact fermé au repos est maintenu en position fermée, un espace minimum de 0.5 mm est assuré pour tous les contacts ouverts au repos, quand la bobine est alimentée et quand un contact fermé au repos est maintenu en position fermée, un espace minimum de 0.5 mm est assuré pour tous les contacts ouverts au repos quand la bobine est mise hors tension”.

7.7

Les fonctions de sécurité A partir de l’estimation des risques, la sécurité peut être assurée par

l’adaptation des fonctions existantes (C Fig.22).

Comme nous l’avons déjà évoqué, cela peut se faire de deux manières :

- En utilisant la redondance ou l’auto-contrôle. - En augmentant la sécurité des composants. Par opposition à l’approche classique qui consiste à fractionner les automatismes en fonctions pour les traiter individuellement, la sécurité doit être vue globalement. Pour faciliter la réalisation d’équipements d’automatismes, les fabricants de composants proposent des produits spécifiques certifiés intégrant des ensembles de fonctions. La figure 23 présente des solutions génériques correspondant aux quatre premières catégories (B, 1, 2, 3). Nous allons les détailler dans des applications standards et nous terminerons par une réalisation plus complexe.

A Fig. 22

Adaptation des fonctions de contrôle existantes

Des modules de sûreté sont proposés pour couvrir les besoins de la catégorie 4, un exemple est présenté à la fin de chapitre.

E

1

2

3

A Fig. 23

180

Solutions génériques de sécurité

7. Sécurité des personnes et des biens

7.7

Les fonctions de sécurité

b L’arrêt d’urgence L’arrêt d’urgence (C Fig.24) est destiné à alerter ou réduire les effets d’un danger potentiel envers les personnes, la machine ou le processus mis en œuvre. L’activation de cet arrêt d’urgence se fait manuellement.

A Fig. 24

Arrêt d’urgence

L’arrêt d’urgence doit : - Pour la catégorie d’arrêt notée 0 : arrêter immédiatement en coupant la puissance des actionneurs de la machine ou en débrayant par une déconnexion mécanique. Si nécessaire, un arrêt non contrôlé peut être appliqué (frein mécanique par exemple). - Pour la catégorie d’arrêt notée 1 : arrêt contrôlé avec la puissance appliquée aux actionneurs concernés puis déconnexion de la puissance, quand l’arrêt est obtenu. Le composant de contrôle et son actionneur devront être du type à action

mécanique positive (norme EN 292–2).

La fonction d’arrêt d’urgence devra être disponible et opérationnelle à

tout instant quel que soit le mode de fonctionnement.

Le schéma de la figure 25 donne une illustration typique d’un arrêt d’urgence :

7

A Fig. 25

Schéma d’arrêt d’urgence typique

Si le dispositif d’arrêt d’urgence doit agir sur plus d’un circuit, le schéma de sécurité devient complexe. Pour cette raison, l’utilisation d’un module de sécurité est recommandée. Le schéma de la figure 26 est la représentation de la fonction arrêt d’urgence pour 2 circuits.

A Fig. 26

Arrêt d’urgence pour 2 circuits

181

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.7 7.8

Les fonctions de sécurité La sécurité des réseaux

Le schéma de la figure 27 est l’association d’un arrêt d’urgence avec un variateur de vitesse (arrêt catégorie 1).

A Fig. 27

7.8

Arrêt d’urgence catégorie 1

La sécurité des réseaux Les progrès de la technologie, les améliorations de la fiabilité, l’apparition de nouveaux standards ont contribué à faire évoluer les réseaux indus­ triels et rendre possible leur utilisation pour des applications plus exigeantes en terme de sécurité. La majorité des réseaux ont une version sécurisée, nous allons décrire ici le réseau ASI qui est utilisé au niveau composants. Pour plus d’infor­ mations sur les réseaux, le lecteur est prié de se reporter au chapitre 9 Les réseaux industriels.

b AS-Interface (ASI) L’interface, Actionneurs Capteurs (Actuator-Sensor Interface ASInterface), système connectable sous tension est le successeur du câblage conventionnel. C’est un réseau facile d’emploi et qui peut être aisément étendu. Vitesse, réduction du temps d’installation, réduction des coûts, simplifi­ cation de la maintenance et haute disponibilité sont les caractéristiques de ce réseau standardisé. Le réseau ASI est idéal pour une transmission rapide et fiable de petites quantités d’information dans un environnement industriel hostile.

v Intégrité des données L’insensibilité aux interférences dans la transmission de données est une caractéristique importante dans la mise en réseau de capteurs et d’actionneurs dans un environnement industriel. En raison de l’utilisation d’un codage spécifique de type APM (alternating pulse modulation ou modulation alternée d’impulsion) et la surveillance permanent de la qualité du signal, le réseau ASI obtient la même intégrité de données que les autres bus de terrain.

v Les composants utilisés sur le réseau ASI Le logo ASI est apposé sur les composants qui ont été homologués par le centre de test indépendant ASI. Cela certifie que des produits de fabricants différents fonctionneront sans problème sur un réseau ASI. 182

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.8 7.9

La sécurité des réseaux Exemple d’application

v Maître et passerelle, alimentations, répéteurs Le cœur du système ASI est la présence d’un Maître ou passerelle qui possède des capacités de diagnostic. Les automates programmables usuels ainsi que les logiciels PC peuvent toujours être utilisés, car le composant connecté au bus ASI est vu comme une entrée ou une sortie déportée. L’alimentation spécifique assure également un découplage des données. Des répéteurs permettent l’extension du réseau au-delà de 100 m, ceux-ci assurent l’isolement électrique des circuits primaires et secondaires, ce qui accroît le degré de sécurité en cas de court circuit.

A Fig. 28

Commande bimanuelle sur une presse

b Application : surveillance d’une commande bimanuelle sur bus ASI (Safety at work) Des blessures graves peuvent affecter des opérateurs chargés de faire fonctionner des machines dangereuses. Ces machines couvrent l’étendue des moyens de production et entrent le plus souvent dans la famille des presses hydrauliques : presses, poinçonneuses, plieuses, etc. La machine est souvent approvisionnée manuellement par un opérateur. Pendant la phase de travail, il y a un risque majeur aggravé par la force des habitudes et de la routine.

Gauche

Les commandes bimanuelles (C Fig.28) sont des dispositifs qui obligent l’opérateur a démarrer l’opération dangereuse en actionnant simultanément avec chaque main deux commandes distinctes. Ces commandes bimanuelles regroupent les deux commandes et un dispositif d’arrêt d’urgence.

Droite

Les quatre contacts de sortie des deux commandes (C Fig.29) sont surveillées pour contrôler leur interdépendance. Esclave 1

A Fig. 29

7.9

Esclave 2

Commande bimanuelle sur bus ASI

L’intervalle de temps qui sépare la manœuvre des deux commandes ne doit pas excéder 500 millisecondes et ces deux commandes doivent être actionnées pendant le déroulement complet du processus dangereux de la machine.

Exemple d’application L’application décrite et représentée à la figure 30 permet d’illustrer concrètement quelques-unes des fonctions de sécurité.

A Fig. 30

Exemple d’application

183

7

7. Sécurité des personnes et des biens

7.9

Exemple d’application

Le système comprend un automate de moyenne gamme, qui contrôle jusqu’à 6 variateurs de vitesse. Chacun d’entre eux alimente un moteur. Chaque variateur de vitesse possède un disjoncteur de protection et chaque moteur son propre contacteur. Les variateurs peuvent utiliser les réglages usine ou être reconfigurés en utilisant le logiciel Power Suite. Les alimentations : 400 V triphasé et 230 V monophasé sont distribuées aux divers composants (400 V triphasé pour les variateurs et 230 V pour l’alimentation Phaseo). Tous les variateurs sont connectés fil à fil à l’automate. La supervision des variateurs s’effectue à l’aide d’un terminal graphique à écran tactile, configuré et programmé à l’aide du logiciel VijeoDesigner. Le terminal graphique est relié à l’automate par une liaison Uni-Telway. L’automate sera configuré et programmé avec le logiciel PL7 Pro. Une colonne lumineuse indique l’état réel du système (sous tension, hors tension, moteur(s) en fonctionnement, attente de confirmation, arrêt d’urgence). L’interrupteur principal est connecté de telle sorte que si le système est déconnecté, l’automate est toujours alimenté pour permettre des opérations de diagnostics. Les variateurs de vitesse étant utilisés avec leur réglage usine, le logiciel applicatif, dans cet exemple, est réduit à sa plus simple expression. En contre partie, le matériel a été choisi dans le but de contrôler des entrées/sorties complémentaires. Options : Le système atteint le niveau de sécurité 4 avec le module Preventa pilotant les contacteurs des variateurs. Ce module, non seulement protège les variateurs, mais prend également en compte l’arrêt d’urgence. Le système incorpore également une deuxième option de sécurité pour un niveau de sécurité 3 provoquant l’arrêt automatique des moteurs si un coffret quelconque est ouvert. Le module de sécurité pour les variateurs de vitesse à sa propre alimentation.

Si un arrêt de sécurité est intervenu, le redémarrage ne pourra se faire qu’après

confirmation.

Une passerelle (TSX ETZxx) vers le niveau supérieur peut être ajoutée pour communiquer via TCP/IP. Les options apparaissent dans les cadres en pointillés. Ce schéma peut être utilisé pour les applications typiques suivantes : - Machines automatiques petites et moyennes. - Machine d’emballage, machines textiles, convoyeurs, distribution

d’eau, traitement des eaux usées, etc.

Sous systèmes autonomes automatisés en relation avec des

machines de taille moyenne à grande.

184

7. Sécurité des personnes et des biens 7.10

7.10

Les fonctions et les produits de sécurité

Les fonctions et les produits de sécurité b Schneider Electric propose une large gamme de produits de sécurité. Ce qui suit, illustré de quelques exemples, est un bref aperçu des différentes solutions. En fonction de la complexité de la machine, la solution peut être bâtie à partir : - d’un contrôleur mono-fonction paramétrable qui gére une seule fonction. - d’un contrôleur multi-fonctions qui peut gérer simultanément deux fonctions parmi une base de 15 fonctions prédéfinies. - d’un contrôleur multifonctions qui utilise un logiciel pour configurer des fonctions prédéfinies. - d’un automate programmable de sécurité avec son logiciel associé pour réaliser une solution complète. Les liaisons peuvent être faites fil à fil ou par un réseau ASI de sécurité.

E Fig. 31

Le tableau de la figure 31 donne quelques exemples. Contrôleurs de sécurité Exemples de solution Le contrôleur est associé aux fonctions suivantes

Type de contrôleur Famille XPS Uni fonction

Arrêt d’urgence

Protection des travailleurs par barrière de protection

Mouvement de positionnement

7 Catégorie 4 XPS MP Sélection de deux fonctions parmi 15 prédéfinies

Catégorie 4

Catégorie 4

Protection des doigts et des mains en zone dangereuse

Commande bimanuelle

Catégorie 2

Catégorie 4

XPS MC Fonction configurable par logiciel

Protection d’accès de l’opérateur en zone dangereuse

Arrêt d’un mouvement dangereux de n’importe quel endroit dans la zone de travail

Catégorie 4

Catégorie 4

XPS MF Automate de sécurité Logiciel programable

Protection d’un opérateur accédant à une zone dangereuse Protection d’un opérateur accédant à un ensemble de zones dangereuses

Catégorie 4

Catégorie 4

185

7. Sécurité des personnes et

des biens

7.10 7.11

Les fonctions et les produits de sécurité Conclusion

b Réseau “ASI Safety at work” En plus des informations concernant le processus, des informations de sécurité peuvent, maintenant, circuler sur le même câble et satisfaire les exigences de sécurité jusqu’au niveau 4 de la norme EN-954-1. Le système AS-Interface “Safety at work” couvre les besoins de la majeure partie des applications de sécurité, comme par exemple : - Surveillance de la fonction d’arrêt d’urgence avec des contacts à

ouverture instantanée (catégorie 0).

- Surveillance de la fonction d’arrêt d’urgence avec des contacts à

ouverture temporisée (catégorie 1).

- Surveillance d’interrupteurs avec ou sans inter verrouillage. - Surveillance de barrières lumineuses, etc. Les options relatives à la sécurité retenues, comme, par exemple, la surveillance d’un bouton marche peuvent être paramétrées pour toutes les fonctions prédéfinies certifiées. La sécurité est incorporée dans le réseau ASI en y ajoutant un contrôleur de sécurité et des interfaces de sécurité qui seront connectés, sans différentiation, sur le même « câble jaune » avec les composants standards. Les informations de sécurité sont échangées uniquement entre le contrôleur de sécurité et les interfaces de sécurité. Ceci reste transparent pour tous les autres composants standards. En partant de ce principe, un réseau ASI existant peut être mis à jour avec des composants de sécurité, sans avoir à remplacer les composants installés (comme les maîtres, les entrées/sorties, les alimentations, etc.) Les circuits de sécurité sont interrogés immédiatement et sans câblage additionnel par le maître standard ASI communiquant avec les contrôleurs de sécurité en utilisant le réseau ASI (le « câble jaune »). A Fig. 32

7.11

ASI Safety at work

La manière de paramétrer le réseau « ASI Safety at work » et de sélectionner les différentes fonctions de sécurité se font de manière simple et intuitive. Le lecteur trouvera dans la documentation des constructeurs les informations nécessaires.

Conclusion La sécurité des machines est une exigence essentielle de l’Union

Européenne et conditionne la circulation des produits dans les nations

membres. Le concepteur, dès le début du projet, aura tout intérêt à

utiliser des outils d’analyse comme les AMDEC qui lui permettront de

trouver les solutions les plus pertinentes et les plus économiques.

A la suite de cette analyse, l’évaluation des risques pourra se faire

rapidement et de manière approfondie conformément aux normes en

vigueur.

L’approche systématique que nous avons décrite est l’assurance de la

réussite de l’analyse des risques.

En découlera le schéma de sécurité le mieux adapté, puis le choix des

composants pour réaliser la fonction.

Les fournisseurs, tels que Schneider Electric, disposent d’une offre

complète de produits et de solutions, parfaitement adaptés pour réaliser

la fonction de sécurité. Si nécessaire, les spécialistes sont à disposition

pour aider à résoudre les cas difficiles.

186

7

187

8 188

chapitre Dialogue homme/machine Présentation : • Interface homme/machine dans les différentes phases du cycle de vie de la machine • Solutions de commande et visualisation soit en tout ou rien, soit par les terminaux clavier-écran • Logiciels de configuration des écrans

8. Dialogue homme/machine

Sommaire

1 2 8.1

Le positionnement du dialogue homme/machine

Page

8.2

Interfaces de dialogue

Page

8.3

Commande et signalisation tout ou rien

Page

8.4

L’offre Schneider Electric Commande et signalisation tout ou rien

Page

8.5

Les interfaces de dialogues évolués

Page

8.6

Modes d’échange

Page

8.7

Logiciels de développement

Page

3 4 5 6 7

8.8

Conclusion

Page

8 9 10 11 12 M 189

8. Dialogue homme/machine

8.1

Le positionnement du dialogue homme/machine

Dans la fonction dialogue homme/machine, l’opérateur a un rôle important. En fonction des informations dont il dispose, il doit effectuer des actions qui conditionnent le bon fonctionnement des machines et des installations, mais qui ne doivent pas mettre en cause la sécurité et la disponibilité. Il est donc indispensable que la qualité de conception des interfaces et de la fonction de dialogue soit telle qu’elle garantisse à l’opérateur la possibilité d’une conduite sûre en toutes circonstances.

8.1

Le positionnement du dialogue homme/machine b Les flux d’informations de dialogue homme/machine Le dialogue homme/machine met en œuvre deux flux d’informations circulant dans le sens (C Fig.1) : - Machine –> Homme - Homme –> Machine Paradoxalement ces deux flux sont tout à la fois indépendants et liés.

v Indépendants Car ils peuvent présenter des niveaux de richesse différents. C’est le concepteur de l’automatisme qui définit ces niveaux en fonction des besoins du processus et des souhaits de l’utilisateur : par exemple signaux tout ou rien de l’opérateur vers la machine, messages alphanumériques ou synoptiques animés de la machine vers l’opérateur.

v Liés

A Fig. 1

Le dialogue homme/machine

Car une intervention de l’opérateur sur une interface de commande se traduit au niveau de l’automatisme par une action parfaitement définie et, en retour, par l’émission d’une information qui dépend de la bonne exécution ou non de cette action. L’intervention de l’opérateur peut être soit volontaire (arrêt de production, modification de données , etc.), soit consécutive à un message émis par la machine (alarme, fin de cycle, etc.).

b Le rôle de l’opérateur Le dialogue d’exploitation regroupe toutes les fonctions nécessaires à un opérateur pour commander et surveiller le fonctionnement d’une machine ou d’une installation. Selon les besoins et la complexité du processus, l’opérateur peut être amené à accomplir :

v Des tâches correspondant au déroulement normal du processus - commander la mise en route et l’arrêt, ces deux phases pouvant éventuellement comporter des procédures de démarrage ou d’arrêt prises en charge par l’automatisme ou effectuées en mode manuel ou semi-automatique sous la responsabilité de l’opérateur, - effectuer les commandes et les réglages nécessaires au déroulement normal du processus et surveiller l’état et l’évolution de celui-ci.

v Des tâches liées à des événements imprévus - déceler une situation anormale et engager une action corrective avant que l’évolution de cette situation n’entraîne une aggravation des perturbations (par exemple, en cas de pré alarme de surcharge d’un moteur, rétablir des conditions de charge normales avant le déclenchement du relais de protection), - faire face à une défaillance du système, en stoppant la production ou en mettant en œuvre un mode de marche dégradée qui supplée tout ou partie des commandes automatiques par des commandes manuelles pour maintenir la production, - assurer la sécurité des personnes et du matériel en intervenant si

nécessaire sur les dispositifs de sécurité.

190

8. Dialogue homme/machine

8.1

Le positionnement du dialogue homme/machine

L’examen de ces tâches montre l’importance du rôle de l’opérateur. En fonction des informations dont il dispose, ce dernier peut être amené à prendre des décisions et engager des actions qui sortent des procédures de conduite en conditions normales et qui influent directement sur la sécurité et la disponibilité des installations. Le système de dialogue ne doit donc pas être un simple moyen d’échanges d’informations entre l’homme et la machine. Il doit également être conçu de telle sorte qu’il facilite la tâche de l’opérateur et lui permette d’assurer en toutes circonstances une conduite sûre.

b Qualité de conception du dialogue La qualité de conception du dialogue d’exploitation peut se mesurer à la facilité avec laquelle un opérateur peut percevoir et comprendre un événement, et à l’efficacité avec laquelle il peut réagir.

v Percevoir Tout changement dans les conditions de marche d’une machine se traduit généralement par la modification ou l’apparition d’une information sur un voyant, un afficheur ou un écran. Cet événement doit avant tout être perçu par l’opérateur, ceci quelles que soient les conditions d’environnement (lumière ambiante, etc.). Différents moyens peuvent être mis en œuvre pour attirer son attention : clignotement de l’information, changement de couleur, signal sonore, protection contre les reflets, etc.

v Comprendre Pour éviter tout risque d’action préjudiciable à la sureté, l’information perçue par l’opérateur doit être suffisamment lisible et précise pour être immédiatement comprise et exploitable. L’ergonomie de lecture des constituants intervient ici tout autant que la conception de la fonction : - pour un voyant lumineux : respect de la couleur prescrite par la

norme, cadences de clignotement lent ou rapide nettement

différenciées, etc.,

- pour un afficheur : textes précis dans la langue de l’utilisateur,

distance de lisibilité appropriée etc.,

- pour un écran : emploi de symboles normalisés, zoom offrant une vue détaillée de la zone concernée par le message.

v Réagir Selon la teneur du message transmis par la machine, l’opérateur peut être amené à intervenir rapidement en agissant sur un ou plusieurs boutons­ poussoirs ou touches de clavier. Cette action est facilitée par : - un repérage clair pour identifier aisément boutons et touches, par exemple par marquage des poussoirs à l’aide de symboles normalisés, - une ergonomie soignée avec des surfaces de poussoirs importantes, des touches à effet tactile, etc.

191

8

8. Dialogue homme/machine 8.2

8.2 8.3

Interfaces de dialogue Commande et signalisation tout ou rien

Interfaces de dialogue Le dialogue homme/machine a subi une évolution spectaculaire ces dernières années. La fonction élémentaire dévolue au bouton poussoir a été enrichie par des interfaces faisant appel à l’électronique ce qui a permis d’enrichir le dialogue, de le personnaliser et de lui apporter de nouvelles fonctions, comme par exemple le paramétrage ou l’aide au diagnostic. Le tableau (C Fig.2) illustre l’offre et les fonctions associées aux interfaces homme/machine. CONCEPTION

MISE EN SERVICE EXPLOITATION

MAINTENANCE

Produit BP

OUI

OUI

OUI

Dialogue intégré

OUI

OUI

OUI

Dialogue opérateur

Logiciel de création

OUI

OUI

Possible

Supervision

Logiciel de création

OUI

OUI

Possible

Fonction BP, Supervision, BP, Supervision, Dialogue Dialogue opérateur opérateur

Conduite

Dialogue intégré (Supervision et Dialogue opérateur envisageable)

Diagnostic

Dialogue intégré (Supervision et Dialogue opérateur envisageable)

Réglage

Logiciel de création et autres A Fig. 2

8.3

Logiciel de dialogue opérateur, Logiciel de supervision

Logiciels de réglage sur PC

Offres et fonctions associées aux interfaces homme/machine

Commande et signalisation tout ou rien b Boutons-poussoirs et voyants v Gammes standard • Fonctions Ils assurent les fonctions d’interfaces de dialogue et sont parfaitement adaptées quand les informations échangées entre opérateur et machine sont peu nombreuses et limitées à des signaux tout ou rien (ordres de marche, signalisations d’états). Ce sont des constituants électromécaniques simples à mettre en œuvre, robustes et fiables, ergonomiques, adaptés à toutes les conditions d’ambiance, ils peuvent être équipés d’une grande variété de têtes de commande circulaires ou carrées. Il est par ailleurs facile de les identifier grâce à un code de couleur normalisé. Ils sont d’une utilisation intuitive ou réflexe (ex : arrêt d’urgence). Pour cette raison, ils sont utilisés pour les opérations directement liées à la sûreté qui impliquent une commande aussi simple et directe que possible.

192

8. Dialogue homme/machine

8.3

Commande et signalisation tout ou rien

La norme EN 60204-1 précise le code des couleurs auquel doivent être conformes les voyants et les boutons-poussoirs, par exemple : - voyant rouge : Urgence - condition dangereuse nécessitant une action immédiate (pression hors des limites de sécurité, sur course, rupture d'accouplement, etc.), - voyant jaune : Anormal - condition anormale pouvant entraîner une situation dangereuse (pression hors des limites normales, déclenchement d'un dispositif de protection, etc.), - voyant blanc : Neutre - information générale (présence de la tension réseau, etc.), - bouton-poussoir rouge : Urgence - action en cas de danger (arrêt d'urgence, etc.), - bouton-poussoir jaune : Anormal - action en cas de conditions anormales (intervention pour remettre en route un cycle automatique interrompu, etc.).

Le bouton poussoir est l’interface retenu pour les commandes générales de démarrage et d’arrêt et les marches de commandes des circuits de sécurité (arrêts d’urgence). Ils existent en diamètre 16, 22 et 30 mm (Normes NEMA), en différentes exécutions (C Fig 3) : - tête avec collerette métallique chromée, pour tous types

d’applications en ambiances industrielles sévères avec un service

intensif,

- plastique pour environnement sévères : industrie chimique,

agroalimentaire.

A Fig. 3

Boutons poussoirs de la gamme Harmony (Schneider Electric)

• Tête de commande Une grande variété de têtes de commande est disponible : - boutons-poussoirs à poussoir affleurant, dépassant, encastré,

capuchonné,

- coup de poing, - double touche, - coup de poing à accrochage, - “arrêt d’urgence”, - boutons tournants à manette, à crosse, à clé, 2 ou 3 positions fixes ou à rappel, - à tige métallique (commande omnidirectionnelle), - boutons-poussoirs lumineux à poussoir affleurant, dépassant, capuchonné. La conception modulaire des unités de commande et de signalisation autorise une grande souplesse d’emploi. Les voyants et les boutons-poussoirs lumineux sont équipés de lampes à filament ou de diodes électroluminescentes. Ils sont à alimentation directe, avec réducteur de tension ou avec transformateur incorporé. Les unités de commande peuvent recevoir de 1 à 6 contacts NO ou NC, compatibles avec les entrées 24 V des automates programmables. • Robustesse et fiabilité Les boutons et voyants sont soumis à des conditions d’utilisations qui peuvent être très sévères, la durée de vie des boutons est de l’ordre de 1 million de manœuvre, il doivent supporter des essais normalisés de tenue au choc en conformité avec la norme IEC 60947-5-5. A tire d’exemple un bouton d’arrêt d’urgence doit supporter une énergie de 5.5 Joules sans dégradation, la gamme Harmonie tient 17 Joules.

v Boutons et voyants pour raccordement sur circuits imprimés

A Fig. 4

Boutons et voyants pour circuits imprimés

(C Fig. 4) La gamme diamètre 22 mm existe en version “raccordement sur circuits imprimés”. Ces produits sont destinés à la réalisation de supports de dialogue en quantités répétitives avec un schéma identique. Les têtes de commande et de signalisation sont celles de la gamme standard. Les blocs électriques, spécifiques à ces versions, sont munis de sorties de contacts permettant leur soudure sur un circuit imprimé.

193

8

8. Dialogue homme/machine

8.3

Commande et signalisation tout ou rien

• Boutons-touches et voyants à tête carrée Ces appareils se montent au pas de 19.05 mm (3/4 de pouce) dans des trous de diamètre 16 mm. Ils permettent de constituer des ensembles de commande d’encombrement restreint quand la place disponible est mesurée, et peuvent aussi être associés aux claviers de saisie. Les boutons-touches sont à effet tactiles. Ils peuvent être équipés d’un contact argenté ou doré. A Fig. 5

Voyants à LED’s

• Voyants lumineux à diode électroluminescente (C Fig 5) Les voyants à DEL pour montage 8 et 12 mm sont particulièrement recommandés lorsque la place disponible est réduite ou si la quantité d’éléments de signalisation est importante (faible puissance dissipée). Ils apportent de nombreux avantages : excellente tenue aux chocs, aux vibrations et aux surtensions, longue durée de vie (>100.000 h), faible consommation permettant une compatibilité directe avec les sorties des automates programmables.

v Balises et colonnes lumineuses (C Fig.6) Les balises et colonnes sont des éléments de signalisation optique ou sonore utilisés pour visualiser à une grande distance et sur 360° des états de machines et des alarmes. • Balises Elles comportent un seul élément lumineux, verrine ou flash, incolore ou de couleur verte, rouge, orange ou bleue. • Colonnes Elles sont à composition variable par assemblage des éléments suivants : verrines, flash ou avertisseur sonore. Ces éléments se montent par simple emboîtement. Leur raccordement électrique est réalisé automatiquement au moment de l’emboîtement.

A Fig. 6

Balises et colonnes lumineuses

• Norme IEC 60204-1 La norme IEC 60204-1 défini des codes couleurs correspondant aux messages devant être affichés : Signalisation lumineuse - Rouge : urgence (action immédiate) - Jaune/Orange : anormal (surveillance et/ou intervention) - Vert : condition normale (optionnel) - Bleu : action obligatoire (nécessite une action de l’opérateur) - Blanc : surveillance (optionnel) Feux clignotants - Pour une distinction ou une information particulière - Attirer davantage l’attention - Exiger une action immédiate - Indiquer une discordance entre l’ordre et l’état réel - Indiquer un changement en cours (clignotement pendant la transition) Flash et feux tournants - Un signal de puissance plus élevé pour une information de priorité

supérieure ou éloignée (suivant CEI 60073)

Buzzer et sirènes - Recommandés dans les ambiances à forte perturbation lumineuse ou sonore ou lorsqu’une plus grande disponibilité de l’opérateur est requise

v Manipulateur (C Fig.7) Les manipulateurs sont principalement destinés à commander par

l’intermédiaire de contacteurs des déplacements sur un ou deux axes, par

exemple les mouvements de translation/direction ou de montée/descente

sur les petits engins de levage.

Ils comportent en général de 2 à 8 directions, avec 1 ou 2 contacts par

direction, avec ou sans rappel au zéro.

A Fig. 7

194

Manipulateurs

Certains manipulateurs peuvent être équipés d’un contact “homme mort”

en bout de levier.

8. Dialogue homme/machine 8.4

8.4 8.5

L’offre Schneider Electric Commande et signalisation tout ou rien Les interfaces de dialogues évolués

L’offre Schneider Electric Commande et signalisation tout ou rien b La gamme Harmony (marque Telemecanique) La photo montage de la figure 8 représente un extrait de la gamme de commande et signalisation tout ou rien Harmony. Ces produits se distinguent entre autre par : - la simplicité : l’encliquetage des éléments garantit un assemblage facile et sécurisé, - l’ingéniosité : la technologie DEL est utilisée pour toutes les fonctions lumineuses, - la flexibilité : de construction modulaire, les produits évoluent avec l’automatisme, - la robustesse : performances mécaniques largement au-dessus des niveaux normatifs, - la compacité : les encombrements “hors-tout” sont les plus faibles du marché, - la multiplicité des possibilités de raccordement cosses faston 2.8 x 0.5, ou à souder, languettes, borne par vis et étriers.

A Fig. 8

8.5

L’offre Harmony

Les interfaces de dialogues évolués Les développements de l’électronique et de la communication ont favorisé l’apparition d’interfaces de dialogue et de communication présentant des fonctions enrichies et conviviales. Ces interfaces permettent en particulier le paramétrage des produits, la lecture d’informations relatives à un actionneur comme sa consommation de courant, sa température, sa vitesse, etc. L’opérateur peut également choisir la langue par une opération de paramétrage préliminaire.

b Panneaux de contrôles spécifiques intégrés aux produits Les outils spécifiques de dialogue intégrés dans les produits apportent une performance parfaitement adapté aux besoins de réglages en exploitation et également une assistance efficace au diagnostic. Le panneau (C Fig.9) équipe l’Altivar ATV 71 de la marque Telemecanique. A Fig. 9

v Caractéristiques principales Panneau de communication de l’Altivar ATV-71

- Ecran graphique avec affichage personnalisable. - Texte en clair avec 6 langues disponibles (anglais, chinois, allemand, espagnol, français et italien) avec possibilité d’extension à d’autres langues. - Bouton de navigation pour “surfer” aisément dans les menus. - Menu “Simply Start” pour démarrer rapidement et bénéficier aussitôt des pleines performances de l’Altivar 71. - Touches “fonction” pour les raccourcis, l’aide en ligne ou

configurables pour des applications.

- Affichage permanent des paramètres de fonctionnement du moteur.

v Fonctionnalités principale - Clarté de l’affichage avec des textes sur 8 lignes et des visualisations graphiques (C Fig.10). - Lisibilité jusqu’à 5 m. - Souplesse avec sa possibilité de déport : sur une porte d’armoire avec un degré de protection IP 54 ou IP 65, pour une connexion multipoints à plusieurs variateurs. A Fig. 10

Exemple de message Altivar ATV-71

195

8

8. Dialogue homme/machine

8.5

Les interfaces de dialogues évolués

- Mémorisation de 4 configurations pour transfert dans d’autres

variateurs.

- Facilité avec les touches fonctions pour les raccourcis, les accès directs et l’aide en ligne, l’affichage de la valeur minimale et maximale des paramètres. - Ergonomie avec son bouton de navigation : d’un seul doigt, “surfez” avec aisance et rapidité dans le menu déroulant. - Personnalisation des paramètres, des écrans de visualisation, de la barre de surveillance, création d’un menu “utilisateur”, etc. - Protection des paramètres, gestion de leur visibilité, verrouillage par mot de passe, pour un accès simplifié à vos configurations en toute sécurité. De nombreuses macro-configurations sont déjà intégrées. Elles sont conçues pour une grande diversité d’applications et d’utilisation : manutention, levage, usage général, connexion sur bus de terrain, régulation PID, maître, esclave, etc. Elles peuvent être aisément modifiées.

Riches et variés, les services disponibles à travers le terminal graphique

facilitent la mise au point et le diagnostic des machines.

b Terminaux écrans/claviers A la différence des terminaux intégrés aux produits, les terminaux écrans/ claviers sont des produits génériques pouvant être associés à toute application. Ainsi que nous l’avons analysé dans le tableau précédent, les terminaux à écran trouvent leur place dans les phases mise en service et d’exploitation. Suivant leur nature et le logiciel de conception associée, ils peuvent jouer un rôle important dans la phase maintenance. Les terminaux communiquent avec le process par un bus de communication approprié et font partie intégrante de la chaîne de dialogue et d’information de données. Pour illustrer les possibilités des terminaux écrans/claviers, nous allons examiner l’offre Magelis de la marque Telemecanique. Ces terminaux graphiques (avec écran tactile LCD de 5.7’’ à 12.1’’ et à clavier ou à écran tactile de 10.4’’) permettent un accès simple aux solutions graphiques de pilotage et/ou de conduite d’ensembles automatisés. Les communications sont à performances garanties grâce à leur connexion possible en directe sur le réseau Ethernet TCP/IP.

v Particularités significatives • Conçus pour un environnement industriel sévère - Robustes et compacts. - Commande sûre et ergonomique par clavier ou écran tactile. - Ecrans très contrastés d’où excellente lisibilité. • Maintenance et diagnostic via le Web - Commande à distance via Internet Explorer. - Accès aux informations de diagnostic des pupitres opérateur via des pages HTML. - Télédiagnostic. - Envoi automatique de messages électroniques (mails). • Compatibles et évolutifs - Possibilité de connexion d’API (divers constructeurs possibles). - Communication OPC (divers constructeurs possibles (serveur OPC). - Intégrables aux réseaux TCP/IP. - VB Script embarqué. • Concepts IHM innovants - Stations de conduite décentralisées. - Accès centralisé aux stations locales, petites salles de commande. - Utilisation mondiale grâce au support de nombreuses langues.

196

8. Dialogue homme/machine

8.5

Les interfaces de dialogues évolués

L’illustration de la figure 11 présente un extrait de l’offre Magelis de Schneider Electric. Magelis XBT R, S Terminaux compacts matriciels - 4 à 8 lignes d’affichage, de 5 à 20 caractères - Symbols semi-graphiques - Touches et mot de passe « ZENSHIN » Terminaux graphiques à écran tactile disponible en 5.7 - 7.5 - 10.4" Magelis XBT GK Terminaux de dialogue d’exploitation graphiques à écran tactile disponibles en 5.7 - 10.4” Magelis XBT GT Terminaux graphiques à écran couleur tactile, disponibles en

3.8-5.7-7.4-10.4-12.1-15”

A Fig. 11

Quelques produits de l’offre Magelis de Schneider Electric

• Caractéristiques principales de terminaux graphiques Magelis XBT G à écran tactile - Affichage Taille écran LCD 3.8” 5.7” 7.4” 10.4” 12.1” 15” - Fonctions Représentation des variables alphanumérique, bitmap, bargraphe, vumètre, bouton, voyant, horloge, gyrographe, clavier. Courbes avec historique. Historique d’alarme incorporé. - Communication Ethernet intégré 10 BASE-T (RJ45). Protocoles téléchargeables Uni-Telway, Modbus, Modbus TCP/IP. - Compatibilité avec contrôleurs et automates de l’offre Schneider Electric Twido, Nano, Modicon TSX Micro, Modicon Premium, Modicon Quantum. - Logiciel de configuration Vijeo Designer VJD SPU LFUCD V10M (sous Windows 2000 et XP). - Emplacement carte Compact Flash - Tension d’alimentation 24 V = • Terminaux graphiques Magelis XBT F - Affichage Taille écran LCD 10.4” Type TFT 256 couleurs - Saisie par clavier 10 touches dynamiques avec DEL, 12 touches statiques avec DEL + étiquettes, 12 touches service, 12 touches alphanumériques + 3 accès alphanumériques.

197

8

8. Dialogue homme/machine

8.5

Les interfaces de dialogues évolués

- Saisie par écran tactile possible - Fonctions Représentation des variables alphanumérique, bitmap, bargraphe, vumètre, potentiomètre, sélecteur, Recettes 125 enregistrements maxi avec 5000 valeurs, Courbes au nombre de 16, Historique d’alarme. - Communication Ethernet intégré 10 BASE-T/100BASE-TX (RJ45), Bus et réseaux Fipway, Modbus Plus, et protocoles tiers, Protocoles téléchargeables Uni-Telway, Modbus, Modbus TCP/IP. - Compatibilité avec contrôleurs et automates de l’offre Schneider Electric Twido, Nano, Modicon TSX Micro, Modicon Premium, Modicon Quantum. - Logiciel de configuration XBT L1003M (sous Windows 98, 2000 et XP) - Tension d’alimentation 24 V =

b PC industriels v Particularités Les PC industriels se caractérisent par une conception “durcie” leur permettant de fonctionner sans défaillance dans un univers industriel en présence de perturbations électromagnétiques et climatiques sévères. Les PC industriel peuvent être compacts ou modulaires pour une parfaite adaptation aux besoins du client. Les figures 12a et 12b représentent une partie de l’offre Schneider Electric.

A Fig. 12a

198

L’offre PC industriel Magelis IPC (Compact IPC)

8. Dialogue homme/machine

8.5 8.6

Les interfaces de dialogues évolués Modes d’échange

v PC Industriels modulaires Magelis IPC Les PC modulaires de la figure 12b offrent modularité et flexibilité. Cette gamme permet le choix de la solution optimale aux besoins d’Interface Homme/Machine sur base PC, ainsi que de son évolution et de sa maintenance rapide : Magelis Modular iPC Magelis Modula IPC facilite la mise en œuvre.

Il est disponible en deux versions et deux modèles de face avant

12 et 15” version tactile et/ou clavier.

Magelis iDisplay 12, 15, 19” écrans tactiles avec port USB, optimisant l’interface homme/machine sur base PC.

A Fig. 12b

8.6

PC industriels modulaires. Les caractéristiques détaillées sont disponibles dans les catalogues produits

Modes d’échange Les modes de communication traditionnels de types liaisons série et bus sont exploités de façon naturelle sur la plupart des produits. Ils s’appuient sur l’utilisation de drivers intégrés aux logiciels de configuration. Les divers réseaux sont également exploités.

b Protocoles supportés Tous les protocoles cœur de l’offre Schneider Electric sont utilisables :

Uni-TE (Uni-Telway), Modbus, Modbus TCP-IP, FipWay, Modbus Plus.

Des protocoles tiers sont également disponibles.

Fonctionnalités : graphique, ergonomie de commande, types d’actions

sur l’automatisme.

v Factory Cast (sur coupleur Ethernet des automates) (C Fig.13) Fonctions de diagnostic à distance à partir d’un simple navigateur Internet : - Accès sécurisé au diagnostic système et application, - Visualisation et réglage numérique ou graphique des données, - Envoi d’E-mail, - Ouvert à la personnalisation et création de pages Web pour un diagnostic adapté aux besoins de l’utilisateur. v FactoryCast HMI A Fig. 13

Exemple de diagnostique à distance

Fonctions de diagnostic identiques à FactoryCast + de nouvelles fonctions HMI embarquées dans un module automate : - Base de données temps réel et acquisition des données automate (1 000 variables), - Calculs pour du prétraitement des données, - Gestion d’alarmes avancée avec envoi d’E-mail, - Archivage des données dans des bases relationnelles (SQL, Oracle, MySQL), - Un serveur Web personnalisable par l’utilisateur pour une interface adaptée à ses besoins.

v FactoryCast Gateway Nouvelle offre de passerelles web intelligente “tout en un” intégrant dans un boîtier autonome : - Les interfaces de communications réseaux et liaisons série Modbus ou Uni-Telway. - Une fonction d’accès distant, serveur RAS. - Une fonction notification d’alarmes par E-mail. - Une fonction Web personnalisable par l’utilisateur. 199

8

8. Dialogue homme/machine 8.7

8.7

Logiciels de développement

Logiciels de développement L’offre matérielle des terminaux est complétée par une offre de logiciels permettant la configuration et l’adaptation des terminaux à l’application. Le descriptif qui suit concerne l’offre Magelis de la marque Telemecanique. Matériel et logiciel constituent une offre cohérente permettant à l’utilisateur de réaliser l’application souhaitée en un minimum de temps. Les logiciels fournis permettent également de communiquer avec des produits tiers d’autres offreurs apportant ainsi une flexibilité et une ouverture optimales.

b Logiciel de configuration XBT L1003M Afficheurs et terminaux Magelis (sous Windows 98, 2000 et XP).

Le logiciel de configuration XBTL1001/L1003 permet de réaliser des

applications de dialogue opérateur destinées à la conduite d’automatismes

pour :

- tous afficheurs XBTN/R/H/HM, terminaux XBTP/PM/E avec le logiciel XBTL1001, - tous afficheurs XBTN/R/H/HM, terminaux XBTP/PM/E et F avec le logiciel XBTL1003. Les applications créées avec le logiciel XBTL1001/L1003 sont indépendantes du protocole utilisé. Il est possible d’utiliser la même application de dialogue opérateur avec les automates proposés par les principaux offreurs du marché.

v Configuration Le logiciel de configuration XBTL1001/L1003 permet de créer de façon

simple, différents types de pages : pages applications (pouvant être liées

entre elles), pages alarmes, pages aides, pages recettes, etc.

b Vijeo Designer, configuration d’IHM pour XBTG/XBTGT

Vijeo Designer (C Fig.14) se présente sous forme d’un atelier de

développement pour la partie ‘Build Time’ et d’un logiciel d’exploitation

des applications (appelé communément ‘Run Time’) téléchargeable sur le

XBTG/XBTGT.

L’ergonomie du ‘Build Time’ n’est pas sans rappeler les outils du type

Visual Studio. Les systèmes d’exploitation supportés sont Microsoft

Windows 2000 et XP Professionnal.

Le ‘Run Time’, pièce maîtresse de la solution, est aussi discret que

possible et est disponible sous deux formes :

- Un format PC, qui est exécuté automatiquement lorsque l’utilisateur du ‘Build Time’ veut simuler son application sur PC. Celui-ci offre aussi une simulation des variables automates. - Un format propriétaire, qui est téléchargé de manière transparente si nécessaire, lorsque l’utilisateur qui a fini la mise au point de son projet souhaite le mettre en œuvre sur le XBTG/XBTGT.

200

8. Dialogue homme/machine

8.7 8.8

A Fig. 15

Logiciels de développement Conclusion

Logiciel Vijeo Look

b Vijeo Citect Vijeo Look 2.6 (C Fig.15) est un logiciel de supervision SCADA (Supervision Control And Data Acquisition : supervision et acquisition de données) destiné aux postes autonomes offrant une parfaite symbiose entre le Web et l’HMI (Human machine interface : Interfaces homme/machine ). A Fig. 14

8.8

Logiciel Vijeo Designer

De plus amples informations sont disponibles dans les Fiches Techniques de Schneider Electric.

8

Conclusion Le dialogue homme/machine est probablement le secteur des automatismes qui a subi la plus forte évolution de ces dernières années. Les interfaces sont devenues grâce à l’apport de l’électronique et du traitement du signal de plus en plus sophistiquées et de plus en plus conviviales. Le choix judicieux de l’interface et de sa configuration permet à l’utilisateur de piloter son process avec de plus en plus de rigueur et de réaliser des diagnostics et de la maintenance préventive, permettant d’augmenter la productivité en réduisant les temps de maintenance.

201

9 202

chapitre

Réseaux

industriels

Présentation : • Besoins et offre existante • Technologies • Politique Schneider Electric

9. Réseaux industriels

Sommaire

1 2 9.1

Introduction

Page

9.2

Historique

Page

9.3

Les besoins et les réponses du marché

Page

9.4

Technologies des réseaux

Page

9.5

Les réseaux préconisés par Schneider Electric

Page

9.6

Ethernet TCP/IP

Page

9.7

Services Web et Transparent Ready

Page

3 4 5 6 7

9.8

Bus Can Open

Page

9.9

Synergie Ethernet et Can Open

Page

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

Page

9.11

Conclusion

Page

8 9 10 11 12 M

203

9. Réseaux industriels

9.1 9.2

Introduction Historique

Nous abordons ici les liaisons électriques nécessaires au fonctionnement d’un équipement d’automatisme. L’habitude est de considérer deux catégories : - Les liaisons courants forts destinées à assurer la connexion des constituants de puissance depuis le réseau d’alimentation jusqu’à la charge. Ce sujet ne sera pas traité dans ce chapitre, nous renvoyons le lecteur à ceux traitant de l’alimentation et de la mise en œuvre. - Les liaisons courants faibles connectant l’ensemble des constituants d’acquisition, de dialogue, de traitement et de commande de puissance avec l’environnement de la machine et du processus.

9.1

Introduction Traditionnellement le câblage des équipements électriques est assuré par des liaisons fils à fils. La norme internationale machines IEC 60 204-1 et celle d’installations - propres à chaque pays - définissent des règles précises sur les sections, la qualité de l’isolant et le repérage par des couleurs normalisées. La plupart de ces liaisons sont réalisées par des câbles unitaires souples de section comprises entre 1.5 et 2.5mm2 (AWG 16 et 14) protégés aux extrémités par des embouts. Ces solutions ont couvert, jusqu’à la précédente décennie, l’ensemble des besoins, que ce soit pour les signaux en tout ou rien ou les signaux analogiques nécessaires aux asservissements, ces derniers exigeants parfois des câblages blindés pour éviter les perturbations électromagnétiques. L’arrivée des technologies numériques dans l’industrie a eu un impact considérable sur la conception et la réalisation des équipements électriques. Elle s’est faite sous l’influence des standards issus de l’informatique et de l’automobile. L’échange d’informations numériques a imposé des liaisons par réseaux de communication entraînant l’usage de connecteurs et de connections préfabriquées. Le travail de réalisation d’un équipement électrique devient alors beaucoup plus simple, les erreurs de câblage sont réduites et la maintenance simplifiée. Les technologies de liaisons conventionnelles étant bien connues, nous consacrerons ce chapitre aux réseaux de communications utilisés dans l’industrie.

9.2

Historique En 1968, la société Modicon invente le concept d’automate programmable. Un matériel unique répond à une grande multiplicité de besoins et apporte une économie d’échelle. De sa grande souplesse d’utilisation découle de nombreux gains dans toutes les phases de vie de l’installation. Les réseaux apparaissent également peu à peu, d’abord sous forme de liaisons séries. Des protocoles viennent formaliser les échanges. Ainsi Modbus (1979), contraction de MODicon BUS, devenu depuis un standard de fait. Depuis quelques années, de nombreuses applications ont adopté le bus de terrain. Cette épine dorsale de l’architecture d’automatisme apparaît comme un moyen extrêmement puissant d’échanges, de visibilité et de souplesse pour les équipements qui y sont raccordés. Le bus de terrain conduit à un bouleversement progressif des architectures : - suppression des câbles d’entrées/sorties, - disparition ou décentralisation des interfaces d’entrées/sorties, - décentralisation et la répartition de l’intelligence, - interconnexion avec Internet.

204

9. Réseaux industriels

9.2 9.3

Historique Les besoins et les réponses du marché

Les années 70 voient naître dans Xerox PARC le réseau Ethernet (contraction d’éther et de net). 10 ans plus tard, il devient le standard international que nous connaissons et équipe en natif pratiquement tous les ordinateurs. Les premières applications ont été de transférer des fichiers, des messages et de transmettre des pages WEB. La généralisation de l’informatique dans tous les métiers de l’entreprise a fait émerger le besoin de connecter l’ensemble des domaines industriels dans les années 90. Le World Wilde Web inventé par le CERN en 1989 - a été développé à l’origine pour permettre le partage d’informations entre les différentes équipes de travail implantées internationalement. Le monde du WWW consiste à partager des documents et des liens. Un protocole simple : HTTP est utilisé par un navigateur (browser) pour accéder aux pages web stockées sur un serveur. Ces pages sont programmées à l’aide de langages, tels que HTML ou XML. Le consortium World Wilde Web Consortium (W3C), créé en 1994 gère l’évolution technique du web (voir le site http://www.w3.org/) En 1996, Schneider Electric fait la promotion du réseau Ethernet industriel pour connecter les niveaux “entreprise” et “atelier” avec les automates puis développe le concept de “Transparent Ready”. Ce concept est basé sur l’ajout d’outils et de protocoles industriels -dont Modbus- aux éléments standards existants d’Ethernet.

9.3

Les besoins et les réponses du marché Sous l’effet conjugué des contraintes des utilisateurs, des technologies et des standards, les architectures actuelles se structurent en quatre niveaux distincts et interconnectés par des réseaux (C Fig. 1).

9

A Fig. 1

Exemple de niveaux d’architecture

205

9. Réseaux industriels

9.3

Les besoins et les réponses du marché

Avant d’analyser les technologies des réseaux de communication, il est nécessaire de présenter une synthèse des principaux besoins auxquels ces niveaux apportent une réponse pertinente. Les caractéristiques citées dans le tableau de la figure 2 seront détaillées dans les paragraphes suivants. Niveau

Besoin

Volume Temps d’informations de réponse à transmettre

Distance

Topologie réseau

Nombre d’adresses

Médium

Entreprise

Echange de données. Sécurité informatique. Standards entre progiciels.

Fichiers Mbits

1mn

Monde

Bus, étoile

Non limitée

Electrique, optique, radio

Atelier

Synchronisation des API1 d’un même îlot d’automatisme échanges d’information en mode client/serveur avec les outils de conduite (HMI, supervision). Performances Temps réel.

Données Kbits

50 à 500 ms

2 à 40 Km

Bus, étoile

10 à 100

Electrique, optique, radio

Machine

Architecture distribuée. Données Intégration fonctionnelle Kbits et transparence des échanges. Topologie et coût de connexion.

Bus, étoile

10 à 100

Electrique, optique, radio

Capteur

Simplification du câblage distribution des alimentations des capteurs et actionneurs. Optimiser les coûts de câblage.

Sans contrainte

10 à 50

Electrique radio

A Fig. 2

Les besoins et les contraintes de communication

5 à 100 ms 10 m à 1 Km (cycle de l’API)

Données bits

1 à 100 m

Nous pouvons, en première approche, retenir les deux principaux axes de ce tableau de besoins : - le nombre d’informations à transmettre, - le temps de réponse nécessaire. Ceci nous permet de positionner les principaux réseaux commercialisés (C Fig.3).

A Fig. 3 206

Principaux réseaux industriels

9. Réseaux industriels

9.4

9.4

Technologies des réseaux

Technologies des réseaux Nous présentons succinctement les différents concepts, le lecteur intéressé par un approfondissement se reportera vers les nombreux ouvrages qui ont été édités sur ce sujet.

b Topologie des réseaux Un réseau industriel est constitué d’automates programmables, des

interfaces hommes/machines, d’ordinateurs, des équipements

d’entrées/sorties, reliés entre eux grâce à des lignes de communication,

telles que des câbles électriques, des fibres optiques, des liaisons radio

et des éléments d’interface, tels que des cartes réseaux, des gateways.

L’arrangement physique du réseau est appelé topologie physique ou

architecture du réseau.

Lorsque l’on considère la circulation des informations, on utilise la

terminologie de topologie logique.

A Fig. 4

Topologie des réseaux

On distingue généralement les topologies suivantes :

- en bus (C Fig.4), - en étoile (C Fig.5), - en arbre, - en anneau, - maillées. • Topologie en bus Cette organisation est une des plus simples. Tous les éléments sont reliés

à une même ligne de transmission par l’intermédiaire de câbles. Le mot

bus désigne la ligne physique. Cette topologie est facile à mettre en

œuvre, la défaillance d’un nœud ou d’un élément ne perturbe pas le

fonctionnement des autres organes.

Les réseaux du niveau machine et capteurs, appelés d’ailleurs bus de

terrain, utilisent cette méthode.

La typologie bus se met en œuvre soit par chaînage des équipements les

uns avec les autres, soit par connexion via un boîtier de raccordement

(TAP) au câble principal (C Fig.4).

A Fig. 5

Topologie des réseaux en étoile

• Topologie en étoile Cette typologie est la plus courante au niveau de l’entreprise et de l’atelier. Elle est celle du réseau Ethernet. Elle présente l’avantage d’être très souple en matière de gestion et de dépannage. Les stations finales sont reliées ensemble à travers un équipement intermédiaire (répéteur, commutateur). La défaillance d’un nœud ne perturbe pas le fonctionnement global du réseau, en revanche, l’équipement intermédiaire qui relie tous les nœuds constitue un point unique de défaillance. • Autre topologies (C Fig.6) - La typologie en anneaux reprend la topologie physique de l’étoile en apportant une meilleure disponibilité du réseau. - La topologie en réseau maillé est assez peu utilisées dans l’industrie et présente l’inconvénient d’un nombre important de liaisons. En anneau

Maillée

La typologie en anneaux reprend la topologie physique de l’étoile en appor­ tant une meilleure disponibilité du réseau.

La topologie en réseau maillé est assez peu utilisée dans l’industrie et présente l’inconvénient d’un nombre important de liaisons.

A Fig. 6

Autres topologies des réseaux

207

9

9. Réseaux industriels

9.4

Technologies des réseaux

b Protocole Un protocole de communication est une spécification de plusieurs règles pour un type de communication particulier. Initialement, on nommait protocole, ce qui est utilisé pour communiquer sur une même couche d’abstraction entre deux équipements différents. Par extension de langage, on utilise parfois ce mot aussi aujourd’hui pour désigner les règles de communication entre deux couches sur un même équipement. Le modèle OSI (Open System Interconnexion) a été créé par l’ISO (Organisation internationale de normalisation) qui a édité la norme ISO 7498 dans le but d’offrir une base commune à la description de tout réseau informatique. Dans ce modèle, l’ensemble des protocoles d’un réseau est décomposé en 7 parties appelées couches OSI, numérotées de 1 à 7. Les couches OSI respectent les principes suivants : - chaque couche supporte un protocole indépendamment des autres couches, - chaque couche procure des services à la couche immédiatement

supérieure,

- chaque couche requiert les services de la couche immédiatement

inférieure,

- la couche 1 décrit le médium (le support de communication), - la couche 7 procure des services à l’utilisateur ou à une application. Lors d’une communication, l’utilisateur d’un réseau utilise les services de la couche 7 via un programme. Cette couche met en forme et enrichit l’information qu’elle reçoit du programme en respectant son protocole. Puis, elle l’envoie à la couche inférieure lors d’une demande de service. À chaque couche, l’information subit des mises en forme et des ajouts en fonction des protocoles utilisés. Enfin, elle est envoyée sur le médium et reçue par un autre nœud du réseau. Elle parcourt toutes les couches de ce nœud dans l’autre sens pour finir au programme du correspondant, dépouillée des différents ajouts liés aux protocoles. Le modèle à 7 couches proposé par l’OSI (C Fig.7) a fait l’objet d’implémentations chez divers constructeurs, mais sans succès commercial. Le marché s’étant largement orienté vers le modèle à 4 couches TCP/IP plus facile à comprendre et à utiliser et pour lequel des implémentations portables existaient déjà. Le modèle garde toutefois un intérêt théorique, bien que les frontières des 4 couches TCP/IP ne correspondent pas à d’exacts équivalents en OSI. Nous décrirons ces différentes couches dans le paragraphe dédié à Ethernet. N°

Couche ISO

Fonction de la couche

7

Application

Elle est l’interface avec l’utilisateur, et fait parvenir les requêtes à la couche de présentation. HTTP, SMTP, POP3, FTP, Modbus

6

Présentation

Elle définit la manière dont les données vont être représentées. Elle converti les données pour assurer leur interprétation par tous les systèmes.

HTML, XML

5

Session

Elle assure les communications et les liaisons correctes entre les systèmes. Elle définit l’ouverture des sessions sur les équipements du réseau.

ISO8327, RPC, Netbios

4

Transport

Elle permet d’établir une communication de bout en bout. Elle gère la segmentation et le ré-assemblage des données, le contrôle du flux ainsi que la détection d’erreur et la reprise sur erreur.

TCP, UDP, RTP, SPX, ATP

3

Réseau

Elle s’occupe de l’acheminement de paquets (datagrammes) à travers le réseau.

IP, ICMP, IPX, WDS

2

Liaison

Elle permet d’établir, à partir du support physique, une liaison exempte d’erreurs.

ARCnet , PPP, Ethernet, Token ring

1

Physique

Elle définit les protocoles d’échange de bits et les aspects électriques, mécaniques et fonctionnels de l’accès au réseau.

CSMA, RS-232, 10Base-T, ADSL

A Fig. 7

208

Les couches ISO

Exemples

9. Réseaux industriels

9.4 9.5

Technologies des réseaux Les réseaux préconisés par Schneider Electric

b Trame La trame (C Fig.8) est l’ensemble des informations transmises en un seul bloc via un réseau. Elle est également appelé paquet. Chaque trame respecte la même organisation de base et contient des informations de contrôle, telles que les caractères de synchronisation, les adresses de station, une valeur de contrôle d’erreur, ainsi qu’une quantité variable de données.

A Fig. 8

9.5

Constitution d’une trame

Les réseaux préconisés par Schneider Electric Dans le but de répondre à l’ensemble des besoins tout en rationalisant son offre, l’entreprise a sélectionné trois des réseaux de communications (C Fig.9) pour réaliser les implémentations préférées qui ont été présentées dans l’introduction de cet ouvrage.

9

A Fig. 9

Les niveaux de communication retenus par Schneider Electric

b Ethernet Modbus TCP La généralisation d’Ethernet dans les entreprises et sur Internet en a fait un standard de communication incontournable. Son usage généralisé a permis de réduire les coûts de connexion, d’augmenter les performances, la fiabilité et les fonctionnalités. Sa rapidité ne limite pas les applications, son architecture permet facilement les évolutions. Les produits et les logiciels demeurent compatibles, ce qui assure la pérennité des systèmes. Le protocole “Modbus”, standard de fait dans l’industrie, fournit une couche application simple et peu onéreuse à mettre en œuvre. 209

9. Réseaux industriels

9.5 9.6

Les réseaux préconisés par Schneider Electric Ethernet TCP/IP

b Can Open Can Open est la version industrielle du bus CAN. Créé pour l’automobile, ce réseau à prouvé sa souplesse et sa fiabilité depuis plus de 10 ans dans de multiples applications telles que les équipements médicaux, les trains, les ascenseurs, ainsi que dans de multiples machines et installations. La forte diffusion de ce réseau a confirmé Schneider Electric dans son choix.

b As-Interface Les machines modernes ont une grande quantité d’actionneurs et de capteurs et souvent des contraintes de sécurité. AS-Interface est le réseau niveau capteur conforme aux exigences des automatismes industriels. Il présente l’avantage d’offrir une connectique rapide et un seul câble pour véhiculer les informations et l’alimentation.

9.6

Ethernet TCP/IP b Description générale L’Ethernet est basé sur le principe d’accès au media régit par un mécanisme de détection de collision. Chaque station est identifiée par une clé globalement unique, appelée adresse MAC, afin de s’assurer que tous les postes sur un réseau Ethernet aient des adresses distinctes. Cette technologie connue sous le nom de Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (Détection de porteuse avec accès multiples et détection de collision) ou CSMA/CD garantit qu’une seule station à la fois transmet un message sur le media. Les évolutions successives d’Ethernet ont donné naissance au standard IEEE 802.3 (voir le site www.ieee.org). Il définit seulement les caractéristiques des couches physiques, la façon dont les informations accèdent au réseau (ainsi que la trame de donnée doivent être définies par des couches complémentaires). Il y a souvent confusion entre ces différentes notions, la figure 10 les situe. Les protocoles mentionnés sont explicités dans les paragraphes suivants.

A Fig. 10

Les différentes couches

Ethernet a été présent dans l’industrie depuis de nombreuses années sans grand succès. Il était perçu comme non déterministe par les fournisseurs et les clients. Les besoins temps réel les ont détournés de ce standard au profit de réseaux propriétaires. Finalement, la combinaison de protocoles, issus de l’industrie à ceux d’Internet a contribué à son acceptation.

210

9. Réseaux industriels

9.6

Ethernet TCP/IP

b La couche physique La couche physique décrit les caractéristiques physiques de la communication, comme les conventions à propos de la nature du médium utilisé pour les communications (les câbles, les liens par fibre optique ou par radio), et tous les détails associés comme les connecteurs, les types de codage ou de modulation, le niveau des signaux, les longueurs d’ondes, la synchronisation et les distances maximales.

b La couche de liaison de données La couche de liaison de données spécifie le contrôle d’accès au media et comment les paquets sont transportés sur la couche physique, et en particulier le tramage (les séquences de bits particulières qui marquent le début et la fin des paquets). Les en-têtes des trames Ethernet, par exemple, contiennent des champs qui indiquent à quelle machine du réseau un paquet est destiné.

b La couche réseau Dans sa définition d’origine, la couche de réseau résout le problème de l’acheminement de paquets à travers un seul réseau. Avec l’avènement de la notion d’interconnexion de réseaux, des fonctions additionnelles ont été ajoutées à cette couche, et plus spécialement l’acheminement de données depuis un réseau source vers un réseau destinataire. Ceci implique généralement le routage des paquets à travers un réseau de réseaux, connu sous le nom d’Internet. Dans la suite de protocoles Internet, IP assure l’acheminement des paquets, depuis une source vers une destination quelque soit sa localisation dans le monde. Le routage IP est permis grâce à la définiton d’un principe d’adressage IP qui assure et oblige l’unicité de toute adresse IP. En effet, chaque station est identifiée par une adresse IP qui lui est propre. Le protocole IP inclut aussi d’autres protocoles, comme ICMP (utilisé pour transférer des messages de diagnostic liés aux transmissions IP) et IGMP (utilisé pour gérer les données multicast). ICMP et IGMP sont situés au-dessus d’IP, mais participent aux fonctions de la couche réseau, ce qui illustre l’incompatibilité entre les modèles Internet et OSI. La couche réseau IP peut transférer des données pour de nombreux protocoles de plus haut niveau.

9

b La couche transport Les protocoles de la couche de transport peuvent résoudre des problèmes comme la fiabilité des échanges (« Les données sont-elles arrivées à destination ? »), l’adaptation automatique à la capacité des réseaux utilisés, et le contrôle de flux. Il assure également que les données arrivent dans l’ordre correct. Dans la suite de protocoles TCP/IP, les protocoles de transport déterminent aussi à quelle application chaque paquet de données doit être délivré. TCP est un protocole de transport, orienté connexion. Il fournit un flux d’octets fiable assurant l’arrivée des données sans altération et dans l’ordre, avec retransmission en cas de perte, et élimination des données dupliquées. Il gère aussi les données « urgentes » qui doivent être traitées dans le désordre (même si techniquement, elles ne sont pas émises hors bande). TCP essaie de délivrer toutes les données correctement et en séquence, c’est son but et son principal avantage sur UDP, même si cela peut être un désavantage pour des applications de transfert en temps réel, avec des taux de perte élevées au niveau de la couche réseau. UDP est un protocole simple, sans connexion, « non fiable ». Ceci ne signifie pas qu’il est particulièrement peu fiable, mais qu’il ne vérifie pas que les paquets sont arrivés à destination, et ne garantit pas leur arrivée dans

211

9. Réseaux industriels

9.6

Ethernet TCP/IP

l’ordre. Si une application a besoin de ces garanties, elle doit les assurer elle-même, ou bien utiliser TCP. UDP est généralement utilisé par des applications de diffusion, tel que les Global Data ou les applications multimédia (audio et vidéo, etc.) pour lesquelles le temps requis par TCP pour gérer les retransmissions et l’ordonnancement des paquets n’est pas disponible, ou pour des applications basées sur des mécanismes simples de question/réponse comme les requêtes SNMP, pour lesquelles le surcoût lié à l’établissement d’une connexion fiable serait disproportionné au besoin. Aussi bien TCP qu’UDP sont utilisés par de nombreuses applications. Les applications utilisant les services TCP ou UDP se distinguent par leur numéro de port. Modbus TCP utilise les services TCP. Le coupleur Factorycast permet d’utiliser UDP.

b La couche application C’est dans la couche application que se situent la plupart des fonctions

applications du réseau.

Elles incluent HTTP (World Wilde Web), FTP (transfert de fichiers), SMTP

(messagerie), SSH (connexion à distance sécurisée), DNS (recherche de

correspondance entre noms et adresses IP) et beaucoup d’autres.

Les applications fonctionnent généralement au-dessus de TCP ou d’UDP,

et elles sont souvent associées à un port bien connu. Exemples :

- HTTP port TCP 80 ou 8080, - Modbus port 502, - SMTP port 25, - FTP port 20/21. Ces ports ont été assignés par l’Internet Assigned Numbers Authority.

v Le protocole HTTP (HyperText Transfer Protocol) C’est un protocole utilisé pour transmettre des pages Web entre un serveur et un navigateur (browser). HTTP est utilisé sur le Web depuis 1990. Les serveurs Web embarqués dans les produits d’automatisme Transparent Ready permettent un accès aisé aux produits localisés n’importe où dans le monde depuis un navigateur Internet comme Internet Explorer, Netscape Navigator ou tout autre.

v BOOTP/DHCP Il est utilisé pour fournir automatiquement les paramètres d’adressage IP aux produits. Ceci évite d’avoir à gérer individuellement les adresses de chaque produit en reportant cette gestion dans un serveur d’adresses IP dédié. Le protocole DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) permet d’attribuer automatiquement les paramètres de configuration aux produits. DHCP est une extension de BOOTP. Le protocole BOOTP/DHCP comprend 2 composants : - le serveur pour fournir l’adresse réseau IP, - le client qui demande l’adresse IP. Les produits Schneider Electric peuvent être : - clients BOOTP/DHCP permettant de récupérer automatiquement

l’adresse IP en provenance d’un serveur,

- serveurs BOOTP/DHCP permettant au produit de distribuer les adresses IP aux stations du réseau. Ces protocoles standards BOOTP/DHCP sont utilisés pour offrir le service de remplacement de produits défaillants (FDR, Faulty Device Replacement).

212

9. Réseaux industriels

9.6 9.7

Ethernet TCP/IP Services Web et Transparent Ready

v File Transfer Protocol (FTP) Il fournit les éléments de base de transfert de fichiers. Le protocole FTP est utilisé par de nombreux systèmes pour échanger des fichiers entre produits.

v TFTP : Trivial File Transfer Protocol C’est un protocole simplifié de transfert de fichier, permettant également de télécharger du code à un produit. Il peut, par exemple, être utilisé pour transférer le code de démarrage (boot code) dans une station de travail non équipée d’unité de disque ou pour se connecter et télécharger des mises à jour de firmware de produits du réseau. Les produits Transparent Ready implémentent FTP et TFTP pour transférer certaines informations entre les produits.

v NTP (Network Time Protocol) Ce protocole est utilisé pour synchroniser l’heure d’un produit (client ou serveur) depuis un serveur fournisseur. Selon le réseau utilisé, il fournit à partir de l’heure universelle (UTC), une précision de quelques millisecondes sur un réseau local (LAN) à plusieurs dizaines de millisecondes sur un réseau étendu (WAN).

v SMTP (Simple Mail Transfert Protocol) Il fournit un service de transmission d’E-mail. Il permet l’envoi d’E-mail entre un émetteur et un destinataire par l’intermédiaire d’un serveur SMTP.

v SNMP (Simple network management protocol) La communauté Internet a développé ce standard pour permettre la gestion des différents composants d’un réseau via un système unique. Le système de gestion du réseau peut échanger des informations avec les produits agents SNMP. Cette fonction permet au gestionnaire de visualiser l’état du réseau et des produits, de modifier leur configuration et de remonter les alarmes en cas de défaut. Les produits Transparent Ready sont compatibles SNMP et peuvent être intégrés naturellement dans un réseau administré via SNMP.

v COM/DCOM (Distributed Component Object Model) ou OLE (Object Linking and Embedding). Il s’agit du nom de la technologie composant objet de Windows qui permet une communication transparente entre les applications Windows. Ces technologies sont utilisées dans le logiciel serveur de données OFS (OLE for Process Control Factory Server).

9.7

Services Web et Transparent Ready Comme nous l’avons mentionné précédemment, les services universels ne permettant pas un usage industriel. Les fabricants de constituant ont donc complété les services universels d’Internet par des fonctions spécifiques aux automatismes. Schneider Electric a développé une offre qui permet une communication “transparente” entre tous les niveaux que nous avons présentés ci-dessus et le WEB, il le définit comme étant l’intégration des technologies web2 dans ses produits et services. Cette offre s’appuie sur deux piliers : - Le réseau Ethernet industriel. - Les composants WEB. Dans le but d’offrir des “Services” qui sont des fonctions permettant au client d’exécuter des tâches particulières, comme envoyer une information d’un automate à un autre ou déclencher une alarme. 2 Le terme "web technologie" est synonyme de "Internet technologie" et couvre : les protocoles internet, les langages de programmation tel que Java, html, xml, etc. ainsi que les outils qui ont révolutionné la façon de partager les informations.

213

9

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

b Services Ethernet industriel En complément des services universels Ethernet (HTTP, BOOTP/DHCP, FTP, etc.), huit types de services de communication Ethernet peuvent être fournis par les produits : - Service de messagerie Modbus TCP. - Service d’échange d’entrées/sorties distantes : I/O Scanning. - Service de remplacement d’équipement défaillant : FDR (Faulty Device Replacement). - Service d’administration de réseau : SNMP. - Service de distribution de données Globale : Global Data. - Service de gestion de la bande passante. - Service de synchronisation de l’heure : NTP. - Service de notification d’événement : SMTP (E-mail). Le tableau 11 positionne ces services par rapport aux différentes couches des réseaux.

A Fig. 11

Services et réseaux

Ces services de communication sont regroupés en trois classes : - Classe 10 : services de base de communication Ethernet. - Classe 20 : services de gestion de communication Ethernet (niveau réseau et niveau produit). - Classe 30 : services avancés de communication Ethernet. Le tableau 12 décrit succinctement ces services :

A Fig. 12

Les différents services

b Service de messagerie : Ethernet Modbus TCP Modbus, le standard de communication de l’industrie depuis 1979 a été porté sur Ethernet TCP/IP, pour constituer Ethernet Modbus TCP, protocole totalement ouvert sur Ethernet. Le développement d’une connexion à Ethernet Modbus TCP ne nécessite aucun composant propriétaire, ni achat de licence. Ce protocole peut être porté facilement sur n’importe quel produit supportant un stock de communication TCP/IP standard. Les spécifications peuvent être obtenues gratuitement depuis le site Web : www.modbus-ida.org. 214

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

Sa simplicité permet à n’importe quel produit de terrain, tel qu’un module d’entrées/sorties, de communiquer sur Ethernet sans avoir besoin d’un puissant microprocesseur ou de beaucoup de mémoire interne. Dues à la simplicité de son protocole et au débit important d’Ethernet 100 Mbit/s, les performances de Ethernet Modbus TCP sont excellentes. Ceci permet d’utiliser ce type de réseau dans des applications temps réel, telle que la scrutation d’entrées/sorties. Comme le protocole application est identique sur Modbus liaison série, Modbus Plus ou Ethernet Modbus TCP, il est permis de router les messages d’un réseau sur l’autre sans faire de conversion de protocole. Modbus étant implémenté au-dessus de la couche TCP/IP, les utilisateurs peuvent en plus bénéficier du routage IP permettant à des produits situés n’importe où dans le monde de communiquer sans se soucier de la distance qui les sépare. L’organisation IANA (Internet Assigned Numbers Authority) a attribué à Ethernet Modbus TCP, le port fixe TCP 502. Ainsi Modbus devient un standard du groupement Internet. La taille maximale des données est de 125 mots ou registres en lecture et de 100 mots ou registres, en écriture.

b Service d’échange d’entrées/sorties distantes : I/O Scanning Ce service permet de gérer l’échange d’états entre des entrées/sorties distantes à travers le réseau Ethernet. Après une simple configuration et sans besoin de programmation spécifique, la scrutation des entrées/sorties est effectuée d’une manière transparente à l’aide de requêtes de lecture/écriture selon le protocole client/serveur Ethernet Modbus TCP. Ce principe de scrutation, via un protocole standard, permet de communiquer avec n’importe quel produit supportant un Ethernet Modbus TCP. Ce service permet de définir deux zones de mots, l’une réservée à la lecture des entrées, l’autre à l’écriture des sorties (C Fig.13). Les périodes de rafraîchissement sont indépendantes du cycle automate.

9

A Fig. 13

Service d’échange d’entrées/sorties distantes

En fonctionnement, le module assure : - La gestion des connexions TCP/IP avec chacun des produits distants. - La scrutation des produits et la recopie des entrées/sorties dans la zone de mots configurée. - La remontée de mots d’état permettant de contrôler le bon

fonctionnement du service depuis l’application automate.

- L’application de valeurs de repli pré configurées en cas de problème de communication. 215

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

Une offre des produits matériels et logiciels permettant d’implémenter le protocole I/O Scanning sur tout type de produit connectable au réseau Ethernet Modbus TCP peut être consultée sur le site Web Modbus-IDA (www.modbus-ida.org).

b Service de remplacement d’équipement défaillant : FDR (Faulty Device Replacement Le service de remplacement d’un produit défaillant utilise la technologie standard de gestion d’adresse (BOOTP, DHCP) et le service de gestion de fichiers FTP ou TFTP (Trivial File Transfer Protocol), ceci dans le but de faciliter la maintenance des équipements connectés sur Ethernet Modbus TCP. Il permet de remplacer un produit en défaut par un produit neuf en garantissant sa détection, sa reconfiguration et son redémarrage automatique par le système. Les principales étapes pour le remplacement sont : - Un produit utilisant le service FDR tombe en défaut. - Un autre produit similaire est sorti du parc de maintenance, pré­ configuré avec le “nom d’identification” (Device name) du produit en panne, puis réinstallé sur le réseau. Selon les produits, l’adressage peut s’effectuer à l’aide de sélecteurs rotatifs (par exemple, E/S distribuées Advantys STB, ou Advantys OTB) ou par le clavier intégré au produit (par exemple, variateurs de vitesse Altivar 71). - Le serveur FDR détecte le nouveau produit, lui attribue une adresse IP et lui transfert les paramètres de configuration. - Le produit substitué vérifie que tous ces paramètres sont bien compatibles avec ses propres caractéristiques et commute en mode opérationnel.

b Service d’administration de réseau : SNMP Le protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) permet, depuis une station gestionnaire de réseau, de surveiller et de contrôler tous les composants de l’architecture Ethernet et ainsi d’en assurer un diagnostic rapide en cas de problème. Il permet : - D’interroger les composants du réseau, tels que les stations

informatiques, les routeurs, les commutateurs, les bridges ou les

produits terminaux pour visualiser leur état.

- D’obtenir des statistiques du réseau sur lequel les produits sont

connectés.

Ce logiciel de gestion de réseau respecte le modèle traditionnel client/serveur. Néanmoins, pour éviter la confusion avec les autres protocoles de communication qui utilisent cette terminologie, on parle plutôt de gestionnaire de réseau ou d’agent SNMP. Les produits Transparent Ready peuvent être gérés par n’importe quel gestionnaire de réseau SNMP, parmi lesquels HP Openview ou IBM Netview et bien sur l’outil de gestion de réseau Transparent Ready ConnexView. Le protocole standard SNMP (Simple Network Management Protocol) permet l’accès aux objets de configuration et de gestion qui sont contenus dans les MIB (Management Information Base) des produits. Ces MIB doivent respecter certains standards pour être accessibles par tous les outils gestionnaires du marché, mais selon la complexité des produits, les constructeurs peuvent ajouter certains objets dans la base de données MIB privée. La MIB privée Transparent Ready présente des objets de gestion spécifiques aux services de communication Transparent Ready tels que Modbus, Global data, FDR, etc. Ces objets facilitent l’installation, la mise en œuvre et la maintenance des produits.

216

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

Les produits Transparent Ready supportent 2 niveaux de gestion de réseau SNMP : - L’interface MIB II Standard : un premier niveau de gestion de réseau est accessible via cette interface. Il permet au gestionnaire d’identifier les produits composant l’architecture et de récupérer des informations générales sur la configuration et le fonctionnement des interfaces Ethernet TCP/IP. - L’interface MIB Transparent Ready : la gestion des produits Transparent Ready est améliorée via cette interface. Cette MIB présente un ensemble d’informations permettant au système de gestion de réseau de superviser tous les services Transparent Ready. Elle peut être téléchargée depuis le serveur FTP de tout module Ethernet Transparent Ready d’un automate programmable.

b Service de distribution de données Globales : Global Data (C Fig.14) Le service Global Data assure la distribution en multicast de données en temps réel entre des stations appartenant à un même groupe de distribution. Il permet de synchroniser des applications distantes, ou bien de partager une base de données commune entre plusieurs applications distribuées. Les échanges sont basés sur un protocole standard de type Publication/souscription, garantissant des performances optimales avec un minimum de charge sur le réseau. Ce protocole RTPS (Real Time Publisher Subscriber) est promu par Modbus-IDA (Interface for Distributed Automation), et est déjà un standard adopté par plusieurs constructeurs, 64 stations peuvent participer aux échanges via Global Data au sein d’un même groupe de distribution. Chaque station peut : - publier une variable de 1024 octets. La période de publication est

configurable de 1 à n périodes de la tâche maître du processeur,

- souscrire de 1 à 64 variables. La validité de chaque variable est contrôlée par des bits d’état (Health Status bits) liés à un timeout de rafraîchissement configurable entre 50 ms et 1 s. L’accès à un élément de variable n’est pas possible. La taille totale des variables souscrites atteint 4 K octets contigus. Afin d’optimiser encore les performances du réseau Ethernet, les Global Data peuvent être configurées avec l’option “multicast filtering” qui, en relation avec les switches de la gamme ConneXium assure la diffusion des données uniquement sur les ports Ethernet où existe une station abonnée au service Global Data. Si ces “switches” ne sont pas utilisés, les Global Data sont émises en “multicast” sur tous les ports du “switch”.

A Fig. 14

Global Data

217

9

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

b Service NTP de synchronisation de l’heure Le service de synchronisation de l’heure est basé sur le protocole NTP (Network Time Protocol). Il permet de synchroniser l’heure d’un client ou d’un serveur sur Ethernet TCP/IP depuis un serveur ou une autre source de temps de référence (radio, satellite, etc.). Les modules de communication Ethernet Modbus TCP : -140 NOE 771 11 de la plate-forme d’automatisme Modicon Quantum Unity V2.0 (ou plus) -TSX ETY 5103 de la plate-forme d’automatisme Modicon Premium Unity V2.0 (ou plus) disposent d’un composant client NTP. Ces modules sont capables de se connecter à un serveur NTP en utilisant une requête client (unicast), afin de mettre à jour leur heure locale. Périodiquement (de 1 à 120 secondes), l’horloge du module est mise à jour avec une erreur inférieure à 10 ms pour les processeurs courants et inférieurs à 5 ms pour les processeurs hautes performances. Si le serveur NTP n’est pas joignable, le module Ethernet Modbus TCP se dirige vers un serveur NTP de secours (standby).

b Service SMTP de notification par E-mail Ce service de notification, simple par E-mail, est programmable. Il permet à l’application automate de signaler un événement sur conditions. L’automate crée un E-mail automatiquement et de façon dynamique, pour alerter un destinataire défini, connecté localement au réseau ou à distance. L’E-mail peut contenir des variables, des alarmes et/ou des événements. Il est à noter que ce service est disponible avec les derniers modules de communication Ethernet pour automates Modicon Premium et Modicon Quantum, ainsi que les derniers processeurs avec connexion Ethernet des mêmes automates, utilisés avec le logiciel Unity Pro. Un service plus complet et indépendant de l’application automate, est également disponible avec le module serveur Web actif FactoryCast HMI. Un mécanisme simple et efficace est utilisé : des en-têtes de messages prédéfinies sont liées avec le corps de l’E-mail, lui-même créé dynamiquement depuis les dernières informations de l’application automate. Sur des conditions prédéterminées, l’application automate prépare le message. Par l’utilisation d’un bloc fonction, une des 3 en­ têtes prédéfinies est sélectionnée, un e-mail est créé, intégrant des variables et du texte (jusqu’à 240 octets) et envoyé directement depuis l’automate. Chacune des trois en-têtes contient les éléments suivants prédéfinis : - La liste des destinataires de l’e-mail. - Le nom de l’émetteur et sujet. Ces informations sont définies et mises à jour par un administrateur autorisé, utilisant les pages Web de configuration.

b Les services Web (C Fig.15) Le niveau de service d’un serveur Web est défini par 4 classes de services identifiées par une lettre :

v Classe A Elle définit les équipements Transparent ready sans aucun services WEB.

v Classe B C’est le niveau web de base. Il fournit la possibilité de gérer des pages WEB statiques qui sont préconfigurées dans un équipement Transparent ready. Il permet d’offrir des services de diagnostic et de surveillance d’équipement à partir d’un navigateur WEB standard.

218

9. Réseaux industriels

9.7

Services Web et Transparent Ready

v Classe C C’est le niveau Web configurable. Il permet la personnalisation du site WEB d’un équipement Transparent Ready avec des pages WEB définies par l’utilisateur pour les besoins de son application. En conséquence le diagnostic et le controle du procédé client peut s’effectuer à partir d’un navigateur WEB standard. L’offre Factory Cast fournit ce niveau de fonctionnalité Web. Elle comprend également les outils facilitant la gestion et la modification des sites WEB embarqués.

v Classe D C’est le niveau Web actif. Il permet en plus de réaliser du traitement spécifique directement dans l’équipement Transparent Ready serveur WEB. Cette capacité de traitement permet de faire du pré-calcul, de la gestion d’une base de données temps réel, de la communication avec des bases de données relationnelles et des envois d’e-mail. En conséquence, la communication entre le navigateur et le serveur est réduite et optimisée. L’offre Factory Cast HMI fournit ce niveau de fonctionnalité Web. Elle comprend également les outils permettant la configuration des traitements à effectuer dans l’équipement Web serveur.

9 A Fig. 15

Les services web

v Les produits Transparent Ready Ils s’identifient par une lettre définissant le niveau de services Web, suivie par un nombre définissant le niveau de service de communication Ethernet. Par exemple : - Le produit de classe A10 correspond à un produit sans service Web et avec les services de base Ethernet. - Le produit de classe C30 correspond à un produit disposant d’un serveur Web configurable et des services avancés de communication Ethernet.

219

9. Réseaux industriels

9.7 9.8

Services Web et Transparent Ready Bus Can Open

Les services offerts par une classe supérieure incluent tous les services supportés par une classe inférieure. Le choix des produits Transparent Ready se fait dans 4 grandes familles : - Produits de terrain (simples ou intelligents) du type capteurs et pré­ actionneurs. - Contrôleurs et automates programmables. - Applications IHM (Interface Homme/Machine). - Passerelles et serveurs dédiés. Le tableau de sélection de la figure 16 permet le choix des produits Transparent Ready en fonction des classes de services souhaités.

A Fig. 16

9.8

Le choix des produits Transparent Ready

Bus Can Open b Description générale Le bus CAN (Controller Area Network) est un bus système série développé par Bosch pour l’automobile. Il fut présenté avec Intel en 1985. L’objectif était de réduire la quantité de câbles dans les véhicules (il y a jusqu’à 2 Km de câbles par voiture) en faisant communiquer les différents organes de commande sur un bus unique et non plus sur des lignes dédiées. Le but étant de réduire le poids des véhicules. La très bonne immunité aux perturbations électromécaniques associée à la fiabilité de la transmission en temps réel a suscité l’intérêt des industriels. En 1991, naît le consortium CIA (= CAN in Automation). Son objectif est de promouvoir l’application de CAN dans l’industrie (voir le site : http://www.can-cia.de/). En 1993, le CIA publie les spécifications CAL = CAN Application Layer qui décrivent les mécanismes de transmission sans préciser quand et comment les utiliser. En 1995, le CiA édite le profil de communication DS-301 : CANopen. Plusieurs couches applications de niveau 7 sur la figure 17 ont été définies sur la norme CAN : - Can Open. - DeviceNet. - CAL. - SDS. - CAN Kingdom.

220

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

Enfin en 2001, la publication par le CIA de la DS-304 permis d’intégrer des composants de sécurité de niveau 4 sur un bus Can Open standard (CANsafe). Nous développons à la figure 17 les caractéristiques techniques de Can Open.

A Fig. 17

Les couche du bus CAN

b Les avantages de Can Open v Can Open utilise des trames courtes Grâce à sa grande immunité aux perturbations électromagnétiques (EMI), Can Open, permet à la machine ou à l’installation d’effectuer un travail précis, même dans un environnement de fortes interférences. Les trames courtes Can Open et la connexion “CANground” fournissant les mêmes possibilités pour chaque équipement connecté au réseau, protègent contre les perturbations électromagnétiques (EMI).

v Can Open permet une transmission fiable Lorsqu’un équipement Can Open transmet ses données, le système génère et prend en compte automatiquement la priorité du message. La perte d’un télégramme à cause de problèmes de collision est impossible, et la perte de temps en attendant le prochain état inactif (idle) du réseau est évité. Can Open permet une transmission de données absolument fiable. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles Can Open est utilisé dans les équipements médicaux nécessitant des réseaux fiables.

v Can Open supprime les pertes de temps Les pertes de temps sont toujours consommatrices de temps et d’argent. CANopen est conçue afin de réduire ces pertes de temps autant que possible. Avec sa distance de “Hamming” de 6, Can Open possède une très bonne détection d’erreur, et un très bon mécanisme de correction. Avec une probabilité de une erreur non détectée en 1000 ans3, Can Open est le plus fiable des réseaux pour machines et installations. 3

1 bit d’erreur toutes les 0.7 s à 500 Kbit/s, 8 h par jour, 365 jours par an

Dans le cas où le réseau détecte une condition d’erreur, le chien de garde est la première possibilité de surveillance de l’état de l’équipement. Chaque message de diagnostic contient la source et la raison de l’erreur, ce qui permet une réaction rapide et une réduction des pertes de temps. Un diagnostic supplémentaire est développé pour améliorer le diagnostic des équipements Can Open complexes, et pour maintenir le réseau. De plus, pour aider à la détection des erreurs aléatoires, un historique des erreurs est disponible. 221

9

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

v Can Open : Performance et flexibilité La raison principale pour utiliser un réseau est sa performance et sa flexibilité à s’adapter exactement au contraintes de l’application. Can Open fournit un dispositif unique pour l’adaptation de la transmission de données. Basé sur le modèle producteur/consommateur, Can Open permet pour la transmission de données, des communications de type diffusion générale, point à point, changement d’état et cyclique. Ce qui veut dire que les données sont transmises uniquement si nécessaire, ou suivant une base de temps spécifique. Les objets données process (PDO) peuvent être configurés individuellement. Les paramètres peuvent être changer à tout moment. • A propos des performances Bien que Can Open soit très flexible, la réponse du réseau est rapide. En moins de 1 ms, 256 points d’entrées/sorties numériques peuvent être traités à 1 Mbit/s4. Typiquement, Profibus-DP a besoin de environ 2 ms à 12Mbit/s pour le même type d’échange de données. En plus de la réponse rapide, le contrôle de priorités des messages peut être changé. Can Open fournit les possibilités d’adapter la transmission de données aux contraintes de l’application. 4

Source : Grid Control

v Can Open autorise une baisse des coûts Can Open combine facilité d’installation avec équipements à faible coût. Can Open n’a pas besoin d’une liaison équipotentielle entre les équipements comme beaucoup de bus de terrain. Une mauvaise connexion entraîne non seulement des erreurs de communication, mais peut aussi causer des dommages sur les équipements du bus de terrain. En outre, les composants pour Can Open sont produits en grande quantité, ce qui diminue leur prix. Schneider Electric fournit cet avantage de coût à ses clients. Un prix de 10 à 20 % moindre par rapport à d’autres bus de terrain peut être attendu.

b Présentation du fonctionnement de CAN CAN est un bus série basé sur un modèle publication-souscription. Dans ce modèle, un éditeur envoi un message aux souscrivants. CAN a été développé en utilisant une architecture de type “broadcast”. A Fig. 18

Le fonctionnement de CAN

L’expéditeur (éditeur) émet le message accompagné d’un identifiant. Les destinataires (souscrivants) filtrent les messages du bus suivant leurs critères d’envoi. Si ce message leur est destiné, ils vont alors le lire et le traiter. Le destinataire devient alors un expéditeur (C Fig.18). Le schéma de la figure 18 nous montre le mode “push” (envoi) du modèle publication-souscription. CAN peut aussi supporter le mode “pull” (réception) du modèle publication-souscription. Un client peut déclencher l’envoi d’un message à partir d’une demande de transmission distante. La demande de transmission distante (RTR “Remote Transmission Requesf”) est une trame CAN qui comporte les “flags” (bits d’état) RTR. Lorsque le producteur reçoit une telle demande, il transmet la réponse associée (C Fig.19).

A Fig. 19

222

Les modes « push » et « pull » du modèle publication-souscription

Dans une architecture “broadcast”, les différents nœuds du réseau peuvent émettre en même temps. CAN résout ce problème grâce à 2 mécanismes. Premièrement, un expéditeur surveille l’artère de communication pour vérifier si un autre nœud émet déjà. Si l’artère de communication est libre, le nœud commence à émettre. Plusieurs nœuds peuvent commencer à émettre, mais jamais en même temps. Ce problème est résolu par un schéma de priorité.

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

Une trame CAN (C Fig.20) débute avec un bit début de trame (SOT “Start Of Trame”). Onze bits d’identification suivent, du plus significatif au moins significatif. Le bit suivant est le bit de demande d’émission à distance, qui est suivi de 5 bits de contrôle et jusqu’à 8 octets de données utiles. Les bits de contrôle sont : l’ID étendu (IDE), un bit réservé, et 3 bits codant la longueur en octet des données utiles dans la partie donnée (DLC). Une séquence de vérification de la trame (FCS “Frame Check Sequence”) jusqu’à 8 octets, suit les données utiles. L’émetteur transmet un bit récessif d’acquittement (ACK), qui est remplacé par un bit dominant par les destinataires qui auront reçu la trame sans erreur.

A Fig. 20

Trame CAN

Le bit fin de trame (EOF “End Of Frame”) indique la fin de la trame.

Le bit IFS (“Intermission Frame Space”) du bus doit rester en position

récessive avant le départ de la prochaine trame. Si aucun nœud n’est

prêt à émettre, le bus restera en l’état. Le codage des bits possède

2 valeurs, dominante et récessive. Si 2 nœuds émettent en même

temps, le récepteur ne verra que la valeur dominante. En codage

binaire, la valeur ‘0’ est dominante et la valeur ‘1’ est récessive.

Lorsqu’un nœud émet, il est toujours entendu sur le bus. S’il émet une

valeur récessive, et qu’il reçoit un bit dominant, il s’arrête d’émettre et

continue de recevoir le bit dominant. Ce mécanisme simple évite les

collisions sur le bus CAN. Le message possédant l’identifiant le plus

petit est prioritaire sur le bus.

CAN est un bus système à accès multiple, avec écoute de porteuse,

détection de collision et arbitrage des priorités des messages

(CSMA/CD+AMP). Les collisions ne se produisant jamais, le bus CAN

est souvent décrit comme un CSMA/CA (accès multiple avec écoute de

porteuse et évitement de collision).

La trame du message décrite sur la figure 21 est une trame de base.

9

A Fig. 21

Trame de base de message sous CAN

Pour des applications qui nécessitent un plus grand nombre d’identifiants, la trame CAN étendue de message a été définie. La trame étendue possède 18 bits identifiants supplémentaires situés dans l’en-tête, après les bits de contrôle. Ce qui étend la gamme de 211 à 229 identifiants différents. Les deux types de trames peuvent coexister dans un seul bus.

223

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

CAN possède plusieurs mécanismes différents pour détecter des messages incorrects : - La séquence de vérification de la trame (FCS) contient le contrôle par redondance cyclique (CRC) de la trame. Le récepteur vérifie le CRC de la trame et compare le résultat à la FCS. S’ils ne sont pas égaux, cela signifie que la trame comporte une erreur CRC. - Le récepteur détecte les erreurs dans la structure de la trame. Si la trame a une structure défectueuse, la trame comporte une erreur de format. - Le récepteur d’une trame publie un bit d’acquittement (ACK) dominant si il a reçu une trame sans erreur. Si l’émetteur ne reçoit pas ce bit d’acquittement dominant, il émet une erreur d’acquittement. - CAN utilise le codage non retour à zéro (NRZ) avec bourrage de bits. Si l’émetteur doit transmettre 5 bits égaux dans une ligne, il introduit un bit inversé additionnel. Ce bourrage de bit permet au récepteur de se synchroniser sur le train de bits. Les récepteurs suppriment les bits de bourrages de la trame transmise. Si plus de 5 bits ont la même valeur, le récepteur détecte une erreur de bourrage de bits. Il existe plusieurs niveaux d’application des protocoles possible sur CAN, comme DeviceNet et Can Open, étant donné que CAN ne définit pas un niveau d’application de protocole par lui-même.

b Présentation de Can Open Can Open définit une couche d’application et un profil de communication basé sur CAN.

v Can Open défini les objets de communication (messages) suivants -

Objet Objet Objet Objet

données processus (PDO). données service (S00). gestion réseau (NMT). fonction spéciale (SYNC, EMCY, TIME).

v Propriétés -

Transmission des données séries, basée sur le CAN. Jusqu’à 1 Mbit/s. Efficacité d’environ 57 %. Jusqu’à 127 nœuds (équipements). Possibilité de plusieurs maîtres. Interopérabilités de différents équipements provenant de différents fabricants.

v Dictionnaire d’objet Le dictionnaire d’objet (C Fig.22) est une interface entre le programme d’application et l’interface de communication.

A Fig. 22

224

Le dictionnaire d’objet Can Open

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

• Objets données process (PDO) Les objets données process (PDO) sont utilisés pour leur rapidité de transmission des données process. Un PDO peut transporter des données utiles jusqu’à 8 octets, ce qui est le maximum pour une trame CAN. La transmission d’un PDO utilise le modèle producteur consommateur de CAN étendu par transferts synchronisés. Le transfert synchronisé des PDOs s’appuie sur le transfert des messages SYNC sur le bus CAN. Un PDO est envoyé en mode cyclique après un nombre configurable (de 1 à 240) de messages SYNC reçus. Il est aussi possible d’attendre la disponibilité des variables du processus d’application et d’envoyer un PDO après la prochaine réception d’un message SYNC. Ceci est appelé le transfert synchronisé acyclique. • Objets données service (SDO) Les objets données services (SDO) sont prévus pour la transmission des paramètres. Les SDOs fournissent un accès au dictionnaire d’objet des équipements distants. Un SDO n’a pas de restriction de longueur. Si les données utiles ne s’adaptent pas à la trame CAN, elles seront divisées en plusieurs trames CAN. Chaque SDO est acquitté. La communication SDO utilise la communication point à point, avec un point agissant en tant que serveur et les autres en tant que clients. • Objets gestion réseau (NMT) Les objets gestion réseau (NMT) changent les états, ou contrôlent les états d’un équipement Can Open (C Fig.23). Un message NMT est un message avec l’identifiant CAN 0. Ce qui fournit aux messages NMT le plus haut niveau de priorité. Le message NMT consiste toujours en 2 octets de données utiles dans la trame CAN. Le premier octet contient la commande NMT encodée. Le second octet contient l’ID du nœud adressé.

A Fig. 23

Les objets gestion réseau (NMT) sous Can Open

Un équipement CANopen démarre dans l’état « initialisation » une fois le bouton de mise en service appuyé. L’équipement effectue ensuite son initialisation. Lorsque l’équipement a terminé son initialisation, il fournit un objet NMP de démarrage afin de prévenir le maître. Le protocole de détection de collision pour la surveillance de l’état de l’équipement est implémenté avec les objets NMT. • Objets fonctions spéciales (SYNC, EMCY, TIME) Can Open doit avoir un producteur SYNC pour synchroniser les actions des nœuds Can Open. Un producteur SYNC émet (périodiquement) l’objet SYNC. L’objet SYNC possède l’identifiant 128. Ceci peut entraîner l’apparition d’un retard (“Pte”) due à la priorité de ce message. L’erreur interne d’un équipement peut déclencher un objet urgence (EMCY). La réaction des clients EMCY dépend des applications. Le standard Can Open définit plusieurs codes d’urgence. L’objet urgence est transmis dans une trame CAN unique de 8 octets. Une trame CAN avec l’ID CAN 256 et 6 octets de données utiles peut être utilisée pour transmettre l’heure du jour à plusieurs noeuds Can Open. Cet objet temps (TIME) contient la valeur de la date et de l’heure dans l’objet de type Time-Of-Day. • Mécanismes de surveillance (Watchdog) Can Open possède 2 méthodes de surveillance de l’état des équipements. Un gestionnaire réseau peut scruter régulièrement chaque équipement à des intervalles de temps configurables. Cette méthode est appelée “Node guarding”. Cette technique est cependant consommatrice de bande passante.

225

9

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

Un autre mécanisme est l’envoi régulier d’un message de la part de chaque équipement. Cette méthode permet d’économiser la bande passante par rapport à la méthode dite “Node guarding”. • Longueur du réseau et débit La longueur est restreinte par le débit dû au procédé de priorité par bit (C Fig.24). Débit (Kbit/s)

1000

800

500

250

125

50

20

10

Longueur maxi (m)

20

25

100

250

500

1000

2500

5000

A Fig. 24

Le procédé de priorité par bit

Dans les documents concernant Can Open, la longueur maximale la plus souvent rencontrée pour un débit de 1 Mbit/s est de 40 m. Cette longueur est calculée sans isolation électrique comme utilisée dans les équipements Can Open de Schneider Electric. En tenant compte de l’isolation électrique, la longueur minimum calculée du bus est de 4 m à 1 Mbit/s. Cependant, l’expérience a montré qu’en pratique, la longueur maximum est de 20m.

A Fig. 25

Tableau des limites de longueur concernant les dérivations

Limitation de longueur concernant les dérivations.

Les limitations concernant les dérivations doivent être prises en compte

et sont fixées par les paramètres donnés en figure 25.

(1) L maxi : longueur maximum d’une dérivation. (2) EL maxi étoile locale : valeur maximale de la longueur cumulée des dérivations à un même point lorsqu’un boîtier de dérivation multiport est utilisé pour créer une topologie étoile locale. (3) Intervalle mini : Distance minimum entre 2 boîtiers de dérivation. Longueur maximum des dérivations en un même point. Cette valeur peut être calculée cas par cas pour chaque dérivation : l’intervalle minimum entre deux dérivations est égale à 60% de la longueur cumulée des dérivations au même point. (4) EL maxi (m) de tous les bus : valeur maximale de la longueur cumulée de l’ensemble des intervalles et des dérivations sur le bus.

226

9. Réseaux industriels

9.8

Bus Can Open

b Association selon les classes de conformité Schneider Electric a défini les classes de conformités pour les équipements maîtres et esclaves Can Open de manière similaire à la classification pour Ethernet Modbus TCP et les services Web. Les classes de conformités définissent quel dispositif un équipement peut supporter et assurent une compatibilité ascendante des fonctionnalités de chaque classe (C Fig.26).

9

A Fig. 26

Tableau de choix des classes de conformité

227

9. Réseaux industriels

9.8 9.9 9.10

Bus Can Open Synergie Ethernet et Can Open Bus AS-Interface (AS-I)

Le tableau 27 montre les meilleures associations de produits possibles selon les classes de conformité. Classe de conformité

S10

S20

M10

Association possible

Restriction d'utilisation

S30

M20 M30 A Fig. 27

Classe de conformité et des meilleures associations de produit

Il est cependant possible d’utiliser un équipement esclave avec un maître de classe de conformité inférieure (ex. S20 avec M10), ou un équipement maître avec un esclave de classe de conformité supérieure (ex. M10 avec S20), en utilisant uniquement les équipements supportés par la classe de conformité de niveau inférieur.

9.9

Synergie Ethernet et Can Open Un profil commun de communication (DS-301) définit entre autre l’allocation

des identifieurs COB-ID pour chaque type de message.

Des profils propres à chaque famille de produits, tels que les E/S tout ou

rien (DS-401), E/S analogique, variateurs de vitesse (DS 402), encodeurs,

décrivent les différents objets associés.

CAN in Automation et Modbus-IDA ont travaillé ensemble pour créer une

norme qui permette une transparence totale entre Can Open et Ethernet

Modbus TCP. Cette collaboration a donné comme résultat la spécification

CiA DSP309-2, définissant les standards des communications entre un

réseau Ethernet Modbus TCP et un bus Can Open. La spécification

définit les services de "mapping" permettant à des équipements Can

Open de communiquer dans un réseau Ethernet Modbus TCP à travers

une passerelle (C Fig.28).

A Fig. 28

9.10

Communication de Can Open dans un réseau Eternet Modbus TCP

L’accès aux informations d’un équipement Can Open est possible en

lecture et en écriture par un grand nombre de fonctions de contrôle

d’équipement.

Bus AS-Interface (AS-I) b Description générale De nos jours les machines disposent de nombreux capteurs et actionneurs avec très souvent la nécessité d'extension et d'intégration de la sécurité. AS-Interface est le réseau niveau capteurs / actionneurs qui correspond aux besoins des systèmes d'automatismes industriels. Le réseau AS-Interface véhicule la puissance et les données nécessaires sur un seul câble composé de deux fils. Les constituants utilisés sur ASInterface peuvent être facilement remplacés à l'identique lors de la maintenance, le nouvel esclave reçoit automatiquement l'adresse du produit remplacé. AS-Interface est une alternative économique au câblage parallèle entre les automates et les capteurs / actionneurs. L'ensemble de l'offre Schneider Electric est conforme au standard défini par l'organisme AS-international association. AS-Interface est un système ouvert qui garantie l'interchangeabilité et l'interopérabilité entre les différents produits du marché.

228

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

AS-Interface est un protocole mature qui a prouvé depuis plus de 10 ans sa facilité d'usage et sa fiabilité dans différents domaines tel que le convoyage, la manutention, l'assemblage, illustrés sur la figure 29.

A Fig. 29

1 2 1 2

AS-Interface

Interface IP20 Interface IP67 Constituant de contrôle Constituant de dialogue

1 2 1 2

Moniteur de sécurité Interface de sécurité Alimentation puissance Maitre AS-I

AS-Interface est caractérisé par un câble jaune (C Fig.30) et une forme particulière, qui permet d'éviter les inversions entre les deux fils. Ce câble auto-cicatrisant utilise une prise vampire qui autorise le raccordement et le déplacement d’un capteur/actionneur sans l’aide d’outil. AS-Interface est exclusivement un bus de terrain de type maître/esclave qui comprend un "maître" (PC, API, Contrôleur …) chargé d'assurer la gestion des états des capteurs/actionneurs et de les transmettre à l’automatisme. D'autres atouts sont à mettre à l'actif d'AS-Interface comme une topologie libre, que ce soit en étoile ou en ligne le réseau fonctionne.

9 A Fig. 30

Constituants de l’AS-Interface

Pendant dix ans, AS-Interface ne sut gérer que des capteurs/actionneurs tout ou rien. Certains fournisseurs proposaient des versions analogiques lentes comme la mesure de température ou de niveau, mais à chaque fois les produits étaient propriétaires, et le nombre d'adresses limité à 31 rendait l'utilisation de l'analogique marginale. Le consortium a lancé une nouvelle version, la V2. Avec elle, le nombre d'adresses double avec un total de 62 esclaves tout ou rien possibles par maître. Mais la grande évolution est sa capacité à recevoir des capteurs/actionneurs de type analogique. Un panachage est possible entre les capteurs analogiques et ToR. Dans ce dernier cas le nombre d'esclaves connectables va diminuer, mais il restera dans le domaine du possible. Avec ce profil analogique, il est possible de relier n'importe quel capteur/actionneur analogique sur n'importe quel maître AS-Interface.

229

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

Cette nouvelle version amène aussi des changements au niveau du diagnostic du réseau. Dans la version première, seuls les défauts du réseau étaient détectés La V2 prend en compte, tous les défauts internes des modules. Bien entendu, la comptabilité -sur un même réseau- de la V2 et la V1 est assurée.

b Les avantages d’AS-Interface (C Fig.31) La simplicité

La simplicité du système de câblage est due à : • L’usage d’un câble unique pour raccorder tous les actionneurs et capteurs dans un système d’automatisme. • La gestion des communications intégrée aux produits.

La réduction des coûts

Les coûts peuvent être réduits jusqu’à 40 % par : • Réduction des temps de conception, installation, mise en service et évolutions. • Espace gagné dans les enveloppes, grâce à des produits plus compacts et à l’élimination des enveloppes intermédiaires depuis que la majorité des fonctions peuvent être délocalisées sur la machine. • Elimination des canalisations des câbles de contrôle.

La sécurité

AS-Interface permet d’améliorer la fiabilité, la disponibilité opérationnelle et la sécurité : • Les erreurs de câblage ne sont plus possibles. • Pas de risque de mauvaise connexion. • Haute immunité aux interférences électromagnétiques (EMC). • Les fonctions de sécurité de la machine peuvent être totalement intégrées dans AS-Interface.

A Fig. 31

230

Les avantages de l’AS-Interface

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

b Les composants d’AS-Interface Ils sont regroupés en familles (C Fig.32), nous invitons le lecteur à se reporter aux catalogues de produits de Schneider Electric pour plus d'informations. Les interfaces pour produits génériques

Ils permettent à n’importe quel produit standard (capteur, actionneur, démarreur, etc.) d'être connecté sur un réseau AS-Interface. Ils permettent une grande liberté dans le choix et sont particulièrement adaptés aux modifications et améliorations des machines qui étaient précédemment réalisées en câblage conventionnel. Ces interfaces sont disponibles pour montage en en enveloppes (IP20) ou en montage direct sur la machine (IP67).

Les interfaces dédiés et composants

Les interfaces dédiés (modules de communication...) permettent la communication avec le câble AS-Interface. Les composants dédiés intègrent une interface et peuvent donc être connectés directement sur le câble ASInterface. Ils autorisent un câblage très rapide, mais offre un choix moins large que les composants génériques. C'est le composant central du système, sa fonction est de gérer les échanges de données avec les interfaces et composants (appelés aussi esclaves) répartis dans l'installation. Il peut recevoir : 31 interfaces ou composants en version V1 (temps cycle 5ms) 62 interfaces ou composants en version V2 (temps de cycle 10ms Le maître est : Soit intégré dans un contrôleur programmable, sous la forme d'une extension par exemple, Soit connecté au bus de terrain, il s'agit alors d'une passerelle.

Le maître

L’alimentation AS-Interface

C’est une source très basse tension de 29.5 à 31.6V pour les interfaces, et composants alimentés à travers le câble AS-Interface. elle est protégée contre les surtensions et les court-circuits. Seul ce type d'alimentation peut être utilisé sur une ligne AS-Interface. Comme le câble AS-Interface est limité en courant, il est parfois nécessaire d'adjoindre une source supplémentaire pour certains circuits, en particulier pour les actionneurs.

Le câble plat

Le câble jaune, connecté à l’alimentation de puissance, assure les deux fonctions suivantes : - Transmettre les données entre le maître et les esclaves. - Alimenter les capteurs et actionneurs. Le câble noir, connecté à la source auxiliaire 24V fourni la puissance aux actionneurs mais aussi aux capteurs qui possèdent des entrées isolées. Le profile mécanique de ces câbles rend impossible tout inversion de polarité, le matériau utilisé permet une connexion rapide et fiable des différents composants. La déconnection d'un produit, pour modification de l'équipement par exemple, le câble retrouve sa forme d'origine par auto-cicatrisation Ces câbles supportent 8A maximum et sont disponibles en deux versions : - En caoutchouc pour les applications standards. - En TPE pour les applications ou le câble est soumis aux projections d'huile.

Solutions de sécurité sur AS-Interface (Voir le chapitre 6 dédié à la sécurité)

Les informations standard du processus peuvent être transmises en même temps et sur le même média que les informations relatives à la sécurité jusqu’au niveau 4 du standard EN 60954-1. L'intégration dans AS-Interface se fait par l'adjonction d'un moniteur et de composants de sécurité connectés sur le câble jaune AS-Interface. Les informations de sécurité sont échangées seulement entre le moniteur de sécurité et ses composants, ceci est transparent pour les autres fonctions standards. De ce fait, un système de sécurité peu être ajouté sur une installation AS-i existante.

Le terminal d’adressage Puisque les composants sont connectés en parallèle sur le bus AS-Interface, il est nécessaire d'assigner une adresse différente à chacun. Cette fonction est assurée par un terminal qui se raccorde individuellement aux différents composants A Fig. 32

Les composants d’Asi-Interface

231

9

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

b Principe de fonctionnement du réseau AS-i v Connectique Le système de raccordement utilisé est appelé communément « prise vampire » Le connecteur comporte deux aiguilles qui effectuent la liaison électrique par percement de l’isolant du câble. Les deux parties du connecteur sont ensuite visées l’une sur l’autre pour assurer la qualité de la connexion. Ce système de connecteur (C principe figure 33) est normalisé et permet de réaliser facilement tout type d’équipement jusqu’à des niveaux de protection IP67. A Fig. 33

v Modulation des signaux Principe du raccordement As-i

De part sa conception le réseau As-i fonctionne sans adjonction de bouchon de terminaison et ce quelque soit la topologie utilisée. Le principe utilise la modulation du courant basée sur un encodage Manchester, deux inductances situées dans l’alimentation convertissent ce signal en tension sinusoïdale. La forme du signal généré évite de blinder le câble (C Fig.34).

v Longueur du réseau La longueur du réseau est conditionnée par la déformation du signal et par la chute de tension en ligne. La distance maximale entre deux esclaves ne doit pas dépasser 100m (C Fig.35). Cette distance peut être augmentée par l’adjonction de répéteurs avec les limites suivantes : - deux répéteurs au maximum par ligne, - la distance maximale avec le maître ne doit pas dépasser 300m, - l’utilisation d’une terminaison passive permet d’étendre la distance de 100m à 200m, - une terminaison active permet d’atteindre 300m.

A Fig. 34

Forme des signaux courant et tension

A Fig. 35

232

Longueurs limites du réseau As-i

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

v Principe du protocole Le principe de communication est basé sur un protocole à un seul maître. Le maître système interroge les esclaves à tour de rôle, ceux-ci répondent en envoyant les données requises (C Fig.36). Quand tous les esclaves ont été interrogés, le cycle se répète et continue indéfiniment. Le temps de cycle dépend du nombre d'esclaves du système et se détermine facilement.

A Fig. 36

Trames maître et esclave

As-i utilise plusieurs méthodes pour garantir la sureté du transfert de données. Le signal est vérifié par le récepteur, s’il n’a pas la forme requise il n’est pas pris en compte. L’utilisation d’un bit de parité associé à un message court (7 et 14 bits) assure l’intégrité logique de l’information. Le temps mort du maître provoque l’acquittement (C fig.37).

A Fig. 37

Constitution du temps de réponse

La durée d’un bit est de 6 µs. A la vitesse de 166.67 Kbits/s -en ajoutant l’ensemble des bits de pause- le temps de cycle maximum ne dépassera pas 5082 µs. • Chaque cycle se décompose en trois parties - échange de données, - gestion du système, - mise à jour/insertion d'un esclave.

9

Le profil AS-Interface du maître détermine ses capacités exactes. En général, il possède les fonctions suivantes : - initialiser le système, - identifier les esclaves connectés, - transmettre les paramètres esclaves aux esclaves, - assurer l'intégrité des échanges de données cycliques avec les

esclaves,

- gérer les diagnostics du système (état de fonctionnement des

esclaves, contrôle du bloc d'alimentation, etc.),

- communiquer toutes les erreurs détectées au contrôleur du système (automate, etc.), - reconfigurer les adresses des esclaves si le système subit une quelconque modification. Les esclaves décodent les demandes provenant du maître et leur répondent immédiatement. Toutefois, un esclave ne répondra pas à des commandes erronées ou inappropriées venant du maître. Les capacités fonctionnelles d'un esclave sont définies par son profil AS-Interface.

233

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

b Topologie et câblage d'AS-Interface L'absence de restrictions permet toute sorte de configurations du système et de liaisons entre les capteurs et actionneurs, en voici quelques illustrations (C fig.38).

A Fig. 38

Types de réseaux possibles

b Les versions d’AS-Interface La première version (V1) à été suivi d'une nouvelle évolution V2.1 qui intègre les améliorations suivantes : - possibilité de connecter un maximum de 62 esclaves, la V1 n'en

acceptant que 31,

- possibilité de transmettre un message "défaut périphérique" au maître sans inhiber l'esclave qui conserve sa possibilité de fonctionner lorsque la continuité de service est critique, - prise en compte des esclaves analogiques.

b Profil Le profil d'un équipement AS-Interface détermine ses capacités.

Deux produits AS-Interface ayant les mêmes fonctions et le même profil

fonctionnent exactement de la même manière, quels que soient les

fabricants. Ils sont interchangeables à l'intérieur d'un même système.

Le profil est fixé en usine au moyen de deux ou trois caractères figés

dans l'électronique interne de l'équipement. Il ne peut pas être modifié.

Jusqu'à présent, plus de 20 profils ont été définis par l'association AS-i.

Ils sont décrits dans la suite de ce sous-chapitre.

234

9. Réseaux industriels

9.10

Bus AS-Interface (AS-I)

Le tableau 39 donne les compatibilités entre les différentes versions Esclave V1

Esclave V2.1 avec adressage standard

Esclave V2.1 avec adressage étendu

Esclave analogique

Maitre V1

Compatible

Compatible mais les défaults de périphérique ne sont pas signalés

Non compatible

Non compatible

Maitre V2

Compatible

Compatible

Compatible

Compatible

A Fig. 39

Les versions d’As-Interface : les compatibilités

v Profils du maître Les profils du maître définissent les capacités individuelles de chaque type de maître AS-Interface. Il existe quatre types de profils du maître : M1, M2, M3, M4, cette dernière est compatible avec les versions précédentes.

v Profils d'esclave Tous les esclaves disposent d'un profil, ce qui signifie qu'ils sont considérés comme des périphériques "asifiés" comportant un circuit ASIC. Font partie de cette catégorie les composants dédiés (tels que les actionneurs intelligents) et les interfaces (qui connectent des composants traditionnels au système AS-Interface). Les profils, semblables à des cartes d'identité, ont été définis afin de distinguer les actionneurs et les capteurs en les répartissant dans de grandes familles. Le système des profils est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de remplacer un esclave. Par exemple, deux actionneurs fabriqués par différents constructeurs mais ayant le même profil sont fonctionnellement interchangeables sans programmation ni adressage.

9.11

Conclusion L’emploi de réseaux de communication dans les architectures d’automatisme industriel permet d’augmenter leur flexibilité et donc de répondre aux besoins d’adaptation des machines et des installations. Se faisant, ils obligent à des choix qui nécessitent des connaissances particulières afin d’effectuer les bonnes sélections parmi la multitude de réseaux de communication existants. Des critères simples sont applicables : ouverture, standardisation et adéquation : - Choisir un réseau ouvert, par opposition à un réseau propriétaire, permet de rester libre du choix de ses fournisseurs de produits d’automatisme. - Choisir un réseau standardisé au niveau international permet de

garantir sa pérennité et son évolution.

- Choisir la bonne adéquation entre le besoin de la machine ou de l’installation et les performances du réseau permet d’optimiser son investissement. Ce dernier point est celui qui, vraisemblablement, nécessite une connaissance précise de l’offre des réseaux de communication qui longtemps ont été perçus comme complexe, tant pour les sélectionner, que pour les mettre en œuvre ou les maintenir. Les fournisseurs ont tous travaillé à pallier cette difficulté. Schneider Electric a pour sa part décidé de ne proposer que des réseaux de communication réellement ouverts, basés sur des standards internationaux et adaptés aux besoins des différents niveaux d’une architecture d’automatisme en définissant des classes d’implémentation qui permettent un choix simple et optimal.

235

9

10 236

chapitre Traitement de données et logiciel A partir des 4 grands métiers client : • Présentation des exemples concrets d’architectures (schéma, produits et logiciels) • Présentation d’un générateur d’application dans un contexte collaboratif

10. Traitement de données et logiciel

Sommaire

1 2 10.1

Définition

Page

10.2

Introduction

Page

10.3

Programmation, configuration et langages

Page

10.4

Catégories d’applications

Page

10.5

UAG : Générateurs d’applications

Page

10.6

Définition des principales abréviations employées

Page

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

237

10. Traitement de données et logiciel

10.1 10.2

Définition Introduction

Ce chapitre aborde la fonction de traitement introduite dans le premier chapitre, il est complété par une présentation des logiciels utilisés dans l’entreprise et leurs interactions avec ceux de traitement des automatismes. Contrairement à d’autres chapitres, nous n’approfondirons pas certains concepts comme les systèmes, les langages de programmation, etc. Nous renvoyons les lecteurs aux nombreux ouvrages qui traitent de ces sujets.

10.1

Définition On nomme automate programmable industriel (API) un dispositif électronique programmable destiné à la commande de processus industriels par un traitement séquentiel. Il envoie des ordres vers les effecteurs (Partie Opérative ou PO) à partir de données d’entrées (capteurs), de consignes et d’un programme. Un Automate Programmable Industriel, API (en anglais Programmable Logic Controller, PLC) est un dispositif similaire à un ordinateur, utilisé pour automatiser des processus comme, par exemple, la commande des machines sur une chaîne de montage dans une usine. Là où les systèmes automatisés plus anciens employaient des centaines ou des milliers de relais et de cames, un simple automate suffit. On nomme automaticien les programmeurs de ces Automates Programmables Industriels.

10.2

Introduction Les automates industriels programmables (API) sont nés dans les années 70. Leur première fonction a consisté à assurer les logiques séquentielles

nécessaires au fonctionnement des machines et des processus.

Leurs coûts les ont cantonnés au départ sur les grands systèmes.

Des évolutions technologiques majeures ont profondément restructuré

la fonction de traitement :

- Les langages se sont unifiés et normalisés, la norme IEC 61131-3 en définit les différents types. - L’approche système s’est généralisée, les notions de schémas ont cédé la place aux blocs fonctions. - La généralisation du numérique permet de traiter aussi bien les

grandeurs numériques, que les grandeurs analogiques avec une

conversion préalable analogique/numérique.

- La baisse du coût des composants électroniques permet, même pour des applications simples de remplacer les systèmes à relais par des automates programmables. - Les bus de communication utilisés pour les échanges de données concurrencent avantageusement le câblage conventionnel. - Les technologies logicielles utilisées dans la bureautique et l’entreprise sont de plus en plus utilisées dans les automatismes industriels. - Les interfaces de dialogue entre l’homme et la machine évoluent également en devenant programmable afin d’offrir plus de flexibilité.

238

10. Traitement de données et logiciel 10.3

10.3

Programmation, configuration et langages

Programmation, configuration et langages Un programme d’automatisme comporte un ensemble d’instructions qui doivent être exécutées dans un certain ordre par un processeur. Le terme programme est souvent utilisé comme synonyme de logiciel. Bien que la majeure partie des logiciels soit composée de programmes, ils nécessitent souvent les fichiers de ressources qui contiennent des données de toutes sortes qui ne font pas partie du programme. Cela permet d’introduire le terme configurer. Configurer consiste non à programmer, mais à renseigner un logiciel en lui fournissant les données nécessaires à sa bonne exécution. A titre d’exemple, un système de traitement d’eau peut, en partant du plus simple vers le plus complexe, être constitué d’un programme simple pour maintenir le niveau de l’eau dans un réservoir entre deux niveaux, en ouvrant et fermant une vanne électrique. Un arrangement légèrement plus complexe pourrait impliquer une balance sous le réservoir (comme entrée) et un contrôleur d’écoulement (comme résultat) permettant à l’eau de couler à un débit fixé. Une application industrielle, tel que le traitement d’eaux usées, commande plusieurs réservoirs. Chaque réservoir doit satisfaire à de multiples conditions telles que : - Être rempli entre deux limites mini et maxi. - Avoir un pH dans une certaine fourchette. - Avoir un certain débit.

b Langages normalisés La Commission électrotechnique internationale (CEI) ou IEC en anglais, a élaboré la norme IEC 61131 pour les automates programmables qui dans sa partie 3 (IEC 61131-3) définit les différents langages de programmation : • IL (Instruction List)

Le langage List est très proche du langage assembleur, on travaille au

plus près du processeur en utilisant l’unité arithmétique et logique, ses

registres et ses accumulateurs.

• ST (Structured Text)

Ce langage structuré ressemble au langage C utilisé pour les ordinateurs.

• LD (Ladder Diagram)

Le langage Ladder (échelle en anglais) ressemble aux schémas électriques

et permet de transformer rapidement un ancien programme fait de relais

électromécaniques. Cette façon de programmer permet une approche

visuelle du problème.

• FBD (Function Bloc Diagram)

Le FBD se présente sous forme de diagramme : c’est une suite de blocs,

reliables entre eux, réalisant tout type de fonctions des plus simples au

plus sophistiquées.

• Le GRAFCET (acronyme de « GRAphe Fonctionnel de Commande

Etapes/Transitions »).

C’est un mode de représentation et d’analyse d’un automatisme,

particulièrement bien adapté aux systèmes à évolution séquentielle, c’est­ à-dire décomposable en étapes. Dans la programmation d’un automate, il

est possible de choisir de programmer en SFC, de façon très proche du

G (le Grafcet IEC848 devînt une norme internationale en 1988 sous le

nom de « Sequential Function Chart » (SFC)). Derrière chaque action est

associé un programme écrit en IL, ST, LD ou FBD.

239

10

10. Traitement de données et logiciel 10.4

10.4

Catégories d’applications

Catégories d’applications Les évolutions technologiques liées à celles des besoins des utilisateurs ont donné naissance à une large palette d’automates qui peuvent se caractériser par : - La partie matériel (hardware) tel que la puissance de traitement, le

nombre et les caractéristiques des entrées/sorties, la vitesse

d’exécution, les modules spécialisés (commande d’axes,

communication, etc.)

- La partie logicielle (software) qui au delà du langage de programmation dispose de fonctions plus élaborées et de capacités de communication et d’interaction avec les autres logiciels de l’entreprise. Notre propos sera de les présenter à travers des applications types qui serviront à orienter les choix du lecteur. Nous lui conseillons ensuite de se reporter aux documentations propres à chaque produit. Nous avons vu dans l’introduction de ce guide la notion d’architecture d’automatismes et d’implémentations préférées, selon le profil du client. Nous pouvons répartir les solutions présentées en quatre catégories : A - Solutions « Electricien » Les applications sont simples, autonomes et figées. Les critères de choix seront guidés par la facilité de prise en main des produits, le faible coût de la solution et la simplicité de la maintenance. B - Solutions « Automaticien-mécanicien » Les applications sont exigeantes en performances mécaniques (précision, rapidité, asservissement de mouvements, changement de gamme, etc.), le choix de l’architecture et du traitement seront essentiellement conditionnés par la recherche de performances. C - Solutions « automaticien » Les automatismes sont complexes par le volume et la diversité des informations à traiter, telles que la régulation, les interconnexions entre automates, le nombre des entrées/sorties, etc. D - Solutions « Automaticien-producticien » Les automatismes de production doivent s’intégrer dans l’architecture informatique de l’usine. Ils doivent s’interfacer et échanger avec les logiciels de production, de gestion, etc. Repositionnons sur la figure 1 ces catégories sur les implémentations présentées dans le Guide de choix des automatismes du chapitre 1.

A Fig. 1

240

Catégories d'applications et profils d'utilisateurs

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

b Solutions “Electricien” Les solutions simples utilisent quelques relais électromécaniques pour réaliser les séquences d’automatisme. Les dernières générations de petits automates, faciles d’emploi, deviennent compétitives à partir de quelques entrées/sorties et offrent de nouvelles possibilités sans pour autant nécessiter l’expertise en programmation. Les applications types se retrouvent dans les marchés suivants : - Industriels : machines simples et fonctions complémentaires des

systèmes décentralisés.

- Bâtiments et services : gestion de l’éclairage, accès, contrôle,

surveillance des locaux, chauffage, ventilation, climatisation.

v Application d’un automate Zelio La configuration que nous présentons ci-dessous convient aux applications de la figure 2. Application

Description

Exemple

Station de pompage mobile Cette application permet de remplir et de vider des réservoirs. L’utilisation d’un variateur de vitesse facilite l’adaptation à la viscosité des fluides. Porte automatique

Permet l’ouverture et la fermeture de portes d’usines.

Fenêtre électrique

Permet de réguler l’air dans une jardinerie.

A Fig. 2

A Fig. 3

Schéma d'application basé sur un automate Zelio

Exemples d'applications d'un automate Zelio

L’utilisation d’un variateur de vitesse permet de faire varier progressivement la vitesse du moteur (C Fig.3), dans le cas d’un besoin de commande en tout ou rien, un contacteur associé à son relais thermique sera utilisé.

10

Cet ensemble comporte : - un automate Zelio Logic, - une alimentation courant continue 24V DC Phaseo, - un variateur de vitesse Altivar 11, - une protection par disjoncteur moteur GV2, - une signalisation par colonne lumineuse XVB, - le sectionnement par un interrupteur Vario VCF. Les variables du variateur (temps, vitesse, contrôle) sont paramétrables directement sur l’Altivar 11 ou par le logiciel Powersuite.

A Fig. 4

Copie d'écran du logiciel Zeliosoft

La programmation du Zelio peut être faite directement sur le module ou par le logiciel Zeliosoft installé sur un PC. Nous allons illustrer cette dernière possibilité par une copie d’écran en figure 4 qui présente une logique réalisées par des FDB (Function Bloc Diagram).

241

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

v Application d’un automate Twido L’utilisation de ce type d’automate permet la réalisation d’applications simples qui pourront être surveillées ou contrôlées à distance en utilisant un modem connecté sur le réseau téléphonique (RTC). La figure 5 donne quelques exemples : Application

Description

Ventilation

Contrôle d’un système de ventilation dans un bâtiment industriel. La mesure de la température asservit la mise en service et l’arrêt de la ventilation.

Chauffage

Contrôle d’un système de chauffage d’un immeuble.

Contrôle à distance d’une fontaine

Contrôle d’une fontaine intégrée dans l’infrastructure d’une compagnie de services. Le système est contrôlé à distance par l’intermédiaire d’un modem.

Contrôle du nettoyage du filtre dans usine de distribution d’eau

L’application contrôle et nettoie le filtre d’une usine de distribution d’eau. Avec une séquence de nettoyage par air suivi par un rinçage à l’eau. Il est aussi possible de contrôler le système à distance par modem.

A Fig. 5

Exemple

Exemples d’applications d’un automate Twido

v Schéma type

Le système est développé à partir d’un automate Twido (C Fig.6).

Le contrôle et la visualisation sont assurés par un clavier/écran Magelis.

La sécurité est assurée par un arrêt d’urgence sur l’interrupteur principal.

A Fig. 6

242

Schéma d'application basé sur un automate Twido

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Le câblage est réalisé en fil à fil. L’automate contrôle le démarreur et gère les messages du module d’alarme. Ce système inclut les composants matériels suivants : - Un automate Twido Modular (PLC). - Une alimentation courant continu Phaseo power supply (PS). - Un démarreur TeSys-U Starter Controller (SC). - Un clavier/écran Magelis XBT-N (HMI). - Un moteur triphasé standard. Ainsi que les logiciels suivants : - Logiciel de programmation Twidosoft Version 2.0. - Logiciel de configuration Magelis XBTL1003M V4.2. La copie d’écran figure 7 du logiciel Twidosoft illustre une programmation en Ladder qui est réversible en List. Le logiciel intègre un jeu important d’instructions et un navigateur intégré permet d’accéder directement à tous les objets.

A Fig. 7

Copie d'écran du logiciel Twidosoft

b Solutions “Automaticien-mécanicien” Des applications exigent des performances qu’il est difficile d’obtenir sans associer étroitement les fonctions de traitement, d’acquisition et de commande de puissance. Pour cette raison, l’asservissement est directement traité par la fonction commande de puissance, soit en analogique, soit par des bus rapides (Canopen, etc.) ou bien par des bus spécialisés (Sercos, etc). Ce type d’architecture se retrouve aussi bien sur des variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones que pour moteurs synchrones (systèmes bouclés). La nécessité d’associer un traitement séquentiel de variables analogiques et tout ou rien a poussé les constructeurs à ajouter sur les variateurs de vitesses : - des cartes d’entrées/sorties, - des cartes de communication, - des cartes de traitements de type automates programmables. Ces solutions sont aussi bien utilisées dans des applications industrielles que dans des infrastructures. Nous illustrerons cette solution en présentant un variateur de vitesse intégrant un automate. 243

10

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

v Traitement intégré à un variateur de vitesse

A Fig. 8

Variateur de vitesse Altivar et sa carte automate

Une carte optionnelle programmable (C Fig. 8) permet de transformer les variateurs de vitesse Altivar en véritables îlots d’automatismes. Cette carte dite “Controller Inside” embarque toutes les fonctions d’un automate programmable : - Le logiciel de programmation Codesys offre les possibilités de

langages graphiques normalisés IEC 61131-3.

- Le traitement au plus près de la commande du moteur apporte la

rapidité nécessaire aux mouvements.

- Le bus Can Open maître permet de commander d’autres variateurs (Altivar 31, Altivar 61 ou Altivar 71) et d’échanger toutes les données nécessaires. - La carte dispose de ses propres entrées/sorties et accède à celles des Altivar. - Les fonctions d’affichage du terminal graphique sont conservées pour informer et paramétrer. - La supervision est disponible via Ethernet et Modbus (ou un autre

réseau de communication).

CoDeSys est un outil de programmation utilisable sous Windows. Les cinq langages standardisés par l’IEC 61131-3 sont supportés. CoDeSys produit un code natif pour la plupart des processeurs courants et permet d’être utilisé sur différentes plateformes de contrôleurs. Il combine la puissance des langages de programmation avancés tel le C ou le Pascal, ainsi que les fonctions des systèmes de programmation des automates. Le kit de programmation comporte un manuel, une assistance en ligne et est disponible dans trois langues Allemand, Anglais et Français. Il est utilisé par de nombreux constructeurs, Schneider Electric l’a adopté pour les variateurs de vitesse Altivar et Lexium.

v Applications La figure 9 donne quelques exemples d’applications d’un variateur de vitesse intégrant une carte Controller Inside. Application

Description

Réseau d’infrastructures

Utilisé dans les stations de pompage pour alimenter les usagés en eau potable.

Machines spéciales

Différentes applications : - machines de bobinage - machines automatiques d’assemblage - machines à bois.

Convoyeurs

Utilisé en coordination avec les mouvements de levage et des navettes.

A Fig. 9 244

Exemple

Exemples d'application d'une carte Controller Inside

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

v Schéma type Pour ne pas alourdir la présentation de cette solution, la partie puissance et son alimentation ne sont pas représentées sur la figure 10. Ce système comprend pour la partie schématisée ci-dessus :

A Fig. 10

• Matériel - une carte Controler Inside installée dans un Altivar 71, le variateur est maître sur le bus Canopen, - un variateur ATV31 et ATV71 avec interface intégré Can Open, - un servo drive Lexium 05 avec interface intégrée Can Open. Le dialogue utilisateur est géré par un terminal graphique Magelis XBT­ GT, il est relié a l’îlot par une liaison Modbus - un îlot d’entrées/sorties distribuées Advantys STB. • Logiciels - un logiciel de - un logiciel de Lexium 05,

- un logiciel de - un logiciel de

programmation PS1131 (CoDeSys V2.3), configuration PowerSuite pour les ATV31, ATV71 et

configuration Vijeo-Designer V4.30 pour Magelis, configuration Advantys Configuration Tool V2.0.

b Solutions “Automaticien” Les automatismes modernes sont très exigeants en nombre et types d’entrées et de sorties. Ils doivent être capable de traiter les séquences de l’automatisme et de fournir les informations nécessaires à la gestion et à la maintenance. La complexité des systèmes imposent des temps de conception et de mise en œuvre relativement long et coûteux.

245

10

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Les constructeurs proposent une double approche pour réduire les coûts : - D’une part, des offres modulaires en logiciel et en matériel, qui permettent au client d’amortir ses coûts d’apprentissage sur toutes ses applications. - D’autre part, des outils logiciels qui accélèrent la productivité, gèrent les historiques et facilitent la maintenance et l’évolutivité des systèmes. Ce type de solution d’automatisme est utilisé dans les processus industriels comportant plusieurs machines liées ou dans des infrastructures. La figure 11 présente quelques cas d’utilisations. Application

Description

Equipement de manutention

Utilisé sur un processus comportant plusieurs systèmes de transporteurs et intégrant des informations extérieures.

Machines d’emballage, machines textiles, machines spéciales

Utilisé pour des machines de découpe de pliage intégrées dans une ligne de production.

Pompes et ventilateurs

Utilisé pour des systèmes de circulation d’eau, de réfrigération asservis à des mesures extérieures telles que le débit.

A Fig. 11

Exemple

Illustration des applications “Automaticien”

v Applications Il n’est pas dans notre propos de développer une application complète, mais d’en illustrer le principe en présentant une partie significative. Un automate Premium est utilisé pour contrôler un îlot local. Celui-ci est constitué d’une plate-forme d’entrées/sorties Advantys STB, de quatre variateurs de vitesse et de modules externes d’entrée/sorties. Chaque élément est connecté sur un bus Can Open. Cette implémentation peut facilement être étendue par l’adjonction d’autres variateurs ou des entrées/sorties supplémentaires. L’automate est relié à l’îlot par un bus Modbus/TCP. Les variateurs et les moteurs sont alimentés en 230V AC. Une source additionnelle est utilisée pour fournir le 24V DC.

v Schéma type Un schéma type est donné en figure 12.

A Fig. 12

246

Schéma type d'une application "Automaticien"

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Liste des composants du système : - un automate TSX Premium (PLC), - une source courant continu Phaseo (alimentation 24V), - un variateur de vitesse ATV31, - un îlot d’entrées et de sorties Advantys STB, - un module d’entrées/sorties protégées IP67 Advantys FTB, - un moteur triphasé à cage. Logiciels : - un atelier de programmation d’automate Unity Pro V2.0.2 (PLC), - un logiciel de configuration des îlots d’entrées/sorties Advantys

configuration software V1.20,

- un logiciel de configuration des variateurs de vitesse ATV31

PowerSuite V2.0.

v L’atelier logiciel Unity Pro Unity Pro est le logiciel commun de programmation pour la mise au point et l’exploitation des automates Modicon Premium, Atrium et Quantum. Reprenant les valeurs d’usage de PL7 et Concept, Unity Pro ouvre les portes d’un ensemble complet de nouvelles fonctionnalités pour plus de productivité et de collaboration entre les logiciels (C Fig.13).

A Fig. 13

Copies d’écran de l’atelier logiciel Unity Pro

• Les principales caractéristiques d’Unity Pro - Interfaces graphiques Windows 2000/XP. - Icônes et barres d’outils “au choix”. - Profils utilisateurs. - Conception graphique des configurations matérielles. - Convertisseurs intégrés PL7 et Concept. - Génération automatique des variables de synchronisation sur Ethernet (Global Data). - Les 5 langages IEC61131-3 sont supportés en standard avec des

éditeurs graphiques.

- Intégration et synchronisation des éditeurs, programme, données,

blocs fonctions utilisateurs.

- Réutilisation “drag & drop” des objets en bibliothèque. - Import/Export XML et réallocation automatique des données. - Automatisation des tâches répétitives par macro VBA. - Système de redondance Hot Standby “plug & play”. Unity Pro propose un ensemble complet de fonctionnalités et d’outils permettant de calquer la structure de l’application sur la structure du procédé ou de la machine. Le programme est découpé en modules fonctionnels. Assemblés et hiérarchisés, ces modules forment la vue fonctionnelle et regroupent : - Les sections de programme. - Les tables d’animation. - Les écrans opérateurs. - Les hyperliens. 247

10

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Les fonctions élémentaires, utilisées de manière répétitive, sont encapsulables dans des blocs fonctions utilisateurs (DFB) en langage IEC 61131-3. Pour créer une base de références applicatives, Unity Pro gère des bibliothèques projet et application, en local ou sur serveur. Doté de près de 800 fonctions en standard, Unity Pro peut être enrichi par les standards clients (variables, types de données, blocs fonctions). Il comporte aussi : - Des variables symboliques indépendantes de la mémoire physique. - Les types de données structurées définis par l’utilisateur (DDT). - La gestion de version des blocs fonctions DFB et DDT dans la

librairie.

- Une bibliothèque d’objets graphiques pré-animés pour les écrans

opérateurs.

- Les données de programmation protégées en écriture et/ou lecture pour éviter les modifications. - La possibilité de développement de blocs fonctions en C++ avec l’option Unity EFB Toolkit. Placés en librairie sur le PC local ou sur serveur distant, les objets de l’application et leurs propriétés sont utilisés et partagés par tous les programmes. Toute modification d’un objet en librairie est automatiquement reportée dans les programmes qui les utilisent : - Les modules fonctionnels sont réutilisables dans l’application ou entre projets par import/export XML. - Les blocs fonctions sont instanciés par “drag & drop” à partir de la librairie. - Toutes les instances héritent automatiquement (sur choix utilisateur) des modifications en librairie. - Sélection et paramétrage des objets graphiques écrans opérateurs par “drag & drop”. Un simulateur automate sur PC intégré dans Unity Pro, il permet de qualifier au maximum l’application avant la mise en service sur le site, reproduisant fidèlement le comportement du programme cible. Tous les outils de mise au point sont utilisables en simulation : - Exécution pas à pas du programme. - Point d’arrêt et de visualisation. - Animations dynamiques pour visualiser l’état des variables et la logique en cours d’exécution. Les écrans d’exploitation facilitent la mise au point par des vues qui représentent l’état des variables sous forme d’objets graphiques : voyants, courbes de tendance, etc. Comme pour la configuration, les modules métiers bénéficient d’écrans particuliers pour leur mise au point : les fonctions offertes sont adaptées au type de module mis en œuvre (entrées/sorties “Tout ou Rien”, analogique, comptage, communication, etc.). Un historique des actions opérateurs est archivé dans un fichier standard et sécurisé de Windows. Des liens hypertextes permettent de lier à l’application tous les documents et outils nécessaires à l’intervention en exploitation ou en maintenance. • Les outils de diagnostic Unity Pro fournit une bibliothèque de DFBs de diagnostic application. Intégrés dans le programme, ils permettent selon leur fonction de surveiller les conditions permanentes de sécurité et l’évolution du procédé dans le temps. Une fenêtre de visualisation affiche en clair et de façon chronologique, par horodatage à la source, tous les défauts système et application. Un simple clic sur cette fenêtre donne accès à l’éditeur de programme dans lequel a été déclenchée l’erreur (recherche des conditions manquantes à la source).

248

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Les modifications en ligne peuvent être regroupées de manière cohérente en mode local sur le PC et transférées directement dans l’automate en une seule opération pour être prises en compte dans le même tour de cycle. Les liens hypertextes intégrés dans l’application donnent accès, en local ou à distance, aux ressources utiles (documentation, outil complémentaire, etc.) pour minimiser les temps d’arrêts. Une palette complète de fonctions permet de maîtriser l’exploitation : - Historique des actions opérateurs sur Unity Pro dans un fichier

sécurisé.

- Profil utilisateur avec choix des fonctions accessibles et protection par mots de passe. La figure 14 présente des écrans d’exploitation et des vues fonctionnelles pour un accès direct et graphique aux différents éléments de l’application. L’architecture client/serveur de Unity Pro rend accessible les ressources du logiciel via des interfaces de programmation en VBA, VB ou C++, voici deux exemples : - Automatisation des tâches répétitives (saisie, configuration,

traduction, etc.).

- Intégration d’applications spécifiques (générateur de code, etc.). A Fig. 14

Ecrans d'exploitation et vues fonctionnelles d'Unity Pro

• Les échanges avec les autres logiciels Le format XML (C figure 15), standard universel W3C pour l’échange de données sur Internet, a été adopté comme format source des applications Unity Pro comme les variables, programmes, entrées/sorties, configuration, etc. Par simple import/export, il est possible d’échanger tout ou partie de l’application avec les autres logiciels du projet (CAO, etc.). Unity Developer’s Edition (UDE) et ses interfaces de programmation en langage C++, Visual Basic et VBA permet le développement des solutions sur mesure, comme la réalisation d’interfaces avec une CAO électrique, un générateur de variables, un programme automate, ou l’automatisation de tâches répétitives en conception. De nombreux éditeurs de logiciels ont utilisé UDE, afin de simplifier les échanges de données avec Unity Pro. La figure 16 en donne quelques exemples :

A Fig. 15

Utilisation du format XML dans Unity Pro

Domaine

Société

Produit

Electrical CAD

ECT

Promise

Electrical CAD

EPLAN

EPLAN

Electrical CAD

IGE-XAO

SEE Electrical Expert

Electrical CAD

AutoDesk

AutoCAD Electrical

10

Electrical CAD

SDProget

SPAC Automazione

Process Simulation

Mynah

Mimic

Change Management

MDT Software

AutoSave

Application Generator

TNI

Control Build

SCADA/Reporting

Iconics

GENESIS BizViz Suite

SCADA

EuropSupervision

Panorama

SCADA

Arc Informatique

PCVue32

Graphical User Interface

ErgoTech

ErgoVU

SCADA

Areal

Topkapi

SCADA

Afcon

P-CIM

MES

Tecnomatix/UGS

XFactory

Historian/RtPM

OSISoft

PI

Web Services

Anyware

PLC Animator

A Fig. 16

Editeurs de logiciels utilisant l’interface UDE

249

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

• Compatibilité avec les applications existantes En standard, les applications PL7 et Concept IEC 61131 sont importées dans Unity Pro par un convertisseur intégré. La mise à jour du système d’exploitation, fournie avec Unity Pro, est possible sur la plupart des processeurs automates Modicon Premium et Quantum. La périphérie existante d’entrées/sorties, les modules métiers, communication et bus de terrain restent compatibles avec Unity Pro.

b Solutions “Automaticien-producticien” Nous abordons ici les architectures complexes qui mettent en œuvre plusieurs automates communiquant entre eux et avec des postes de supervision (SCADA). Ces architectures s’interfacent également avec les systèmes de gestion de l’entreprise. L’optimisation des systèmes impose une approche globale mettant en relation l’ensemble des métiers de l’entreprise, des partenaires et des moyens. Nous distinguons deux types d’interactions : - Le Temps réel qui caractérise la liaison pendant la phase d’exploitation, aux systèmes de gestion de la relation client (CRM), de gestion des stocks, de production (MES) et de gestion comptable dans le but d’optimiser les flux. - L’approche Collaborative. La mise en relation des acteurs par l’intermédiaire des outils logiciels durant les phases de conception, de réalisation, d’exploitation et de maintenance permet de réduire les temps et les coûts afférant à l’outil de production et d’en améliorer la qualité. La diversité des applications rend complexe la compréhension du positionnement de chacune d’entre elles par rapport à son environnement. Les besoins d’échanges inter logiciel conduisent à une approche collaborative de tous les métiers.

v Le temps réel et les logiciels de l’entreprise Le dessin de la figure 17 fait apparaître les logiciels les plus fréquemment rencontrés dans un atelier ou dans une usine. Nous pouvons distinguer quatre niveaux :

A Fig. 17

250

Les quatre niveaux de l’entreprise

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

• Le niveau entreprise (corporate level)

Il est caractérisé par un flux d’information très important. Les standards

de la bureautique et d’Internet se sont imposés. Les logiciels fonctionnent

sur des PC ou des serveurs plus puissants.

• Le niveau atelier Il est caractérisé principalement par les outils de supervision et les automates chargés du processus. Ethernet s’est imposé comme standard de communication entre les univers des ordinateurs et des automates. • Le niveau machine La notion de temps réel conditionne le choix des outils de communication. PC industriels et automates se répartissent les tâches, les liaisons se font soit par des bus de terrain (CanOpen pour Schneider Electric) soit par Ethernet associé à des couches applicatives spécifiques. • Le niveau capteur Les liaisons fil à fil sont concurrencées par le bus Asi particulièrement bien adapté à cet usage.

v La collaboration de conception et de réalisation des moyens Les logiciels d’automates que nous avons présentés aux paragraphes précédents sont limités à contrôler des ensembles conçus séparément et devant fonctionner de façon autonome, même si parfois des liaisons de communication sont nécessaires. De nouveaux outils ont été développés autour des logiciels de program­ mation pour prendre en compte les contraintes imposées par la mise en parallèle des travaux de conception et de réalisation. Ils permettent, en assistant les développeurs, de simplifier et d’accélérer leur travail, d’assurer la traçabilité et de réduire les erreurs. En effet, considérons le cycle, depuis l’étude jusqu’à la fin de vie d’une machine ou d’un processus, (C fig.18), la diversité des métiers associés au cycle de vie nécessite la collaboration des différents métiers. Cette collaboration est rendue possible à travers les outils tels que la CAO mécanique et électrique, les ERP, MES, SCADA, etc. Au cœur de l’offre Schneider Electric, Unity Pro et UAG (générateur d’applications) s’affichent comme la plate-forme d’automatisme logicielle et matérielle de nouvelle génération fondée sur l’ouverture et la collaboration entre les outils qui couvrent les besoins depuis les études jusqu’à la maintenance des systèmes qui sont représentés en figure 18.

10

A Fig. 18

Les deux plates-formes logicielles Unity Pro et UAG

L’atelier logiciel Unity Pro ayant été décrit dans le chapitre précédent, nous consacrerons un paragraphe à expliquer le fonctionnement d’UAG.

251

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

Pour assurer la collaboration avec l’environnement, plusieurs outils logiciels complémentaires ont été développés. La figure 19 présentant leurs fonctions sera suivi par quelques explications succinctes sur leurs fonctionnements. L’utilisation des principaux standards informatiques tels qu’Ethernet TCP/IP, Web, OPC, SOAP, XML, etc., facilite la collaboration verticale à tous les niveaux de l’entreprise et permet : - Une meilleure visibilité de l’information en temps réel. - Une interopérabilité entre le procédé et les systèmes d’information (MES, ERP, etc.). - Les échanges avec les outils de conception telle que la CAO. Composants

Fonction

Unity Pro

Atelier de développement des applications mono automate en environnement collaboratif

UAG Unity Application Generator

Développement d’applications multi automates et SCADA par approche objets. Conforme au standard ISA S88

UDE Unity Developer Edition

Logiciel pour développement en langages informatique VBA, VB, C++

OFS OPC Factory System

Serveur OPC de Schneider Electric mettant en relation les environnements micro-informatiques et automates

Factory Cast Environnement Web

Assurer un passage d’information entre un environnement d’automates et l’environnement informatique

CITEC SCADA

Logiciel de SCADA

AMPLA

Logiciel de MES

Coupleur Ethernet

Coupleurs utilisant les services de Factory Cast

Logiciels de configuration et de paramétrage XBT L1000

Création de dialogue opérateur

Vijeo designer

Création de dialogue opérateur

Vijeo Look

Mini SCADA

Power Suite

Configuration des variateurs Altivar et des démarreurs Altistart et Tesys U

A Fig. 19

Outils logiciels complémentaires

UDE : Unity Developer’s Edition Avec Unity Developer’s Edition (UDE), Unity s’enrichit d’un logiciel spécialisé pour les développeurs informatiques en VBA, VB ou C++. Il offre l’accès à tous les serveurs d’objets des logiciels Unity Pro pour le développement de solutions sur mesure, comme par exemple, la réalisation d’interfaces avec une CAO électrique ou un générateur automatique d’applications.

UAG : Unity Application Generator UAG est un outil de conception qui s’appuie sur une approche par modules

réutilisables (PID, vanne, moteur, etc.) il est conforme au standard ISA 88.

UAG génère le code programme des automates de l’architecture ainsi que

les graphiques du ou des SCADA. De plus, par une saisie unique, il gère

une base de données commune aux différents éléments assurant ainsi la

cohérence de l’application.

La saisie unique des informations assure rapidité et cohérence entre les

deux environnements.

Par cette approche de conception structurée et modulaire, UAG offre une

réduction significative du coût de développement, et facilite la validation et

la maintenance du projet d’automatisme.

252

10. Traitement de données et logiciel

10.4

Catégories d’applications

OFS : OPC Factory System OFS, adaptation d’OPC (OLE for Process Control) à l’environnement Schneider Electric, est un logiciel de communication entre l’environnement micro-informatique et les automatismes industriels. D’origine Microsoft, il est dérivé de DDE, puis d’OLE vers OLE Automation utilisant COM/DCOM de Windows. Une fondation, regroupant des offreurs et des éditeurs de Logiciels, gère les évolutions d’OPC et garantie la compatibilité ascendante, ainsi que l’interopérabilité entre les différents produits logiciels. Les évolutions sont conditionnées par les besoins industriels suivants : - Fournir aux applications informatiques une interface basée sur des standards ouverts, offrant un accès simple et commun aux données de l’atelier. - Favoriser une meilleure interopérabilité entre les applications

d’automatisme et de contrôle, les équipements de terrain, et les

applications informatiques.

- Proposer une architecture multi Client/Serveur. - Permettre un accès au Serveur Local ou distant. - Faire circuler une information temps réel.

Factory Cast : environnement Web Un ensemble d’outils font communiquer les applications par Internet en tenant compte des contraintes suivantes : - Communiquer entre les applications. - Etre compatible avec le web et Internet. - Utiliser des solutions non propriétaires basées sur des normes et des standards. - Faciliter l’implémentation. Les applications doivent communiquer quel que soit : - Le langage dans lequel elles ont été développées. - Le système d’exploitation sur lequel elles s’exécutent. La technologie, compatible avec l’utilisation d’Internet, est basée sur un protocole standard SOAP XML (Simple Object Access Protocol) cohabitant avec HTTP, elle permet la communication entre les applications. Une description standard des services et des interfaces est fournie par une application WSDL (Web Service Description Language) qui est une bibliothèque de fonctions d’accès aux données standardisées et auto documentées. L’association de ces technologies est communément appelée “WEB SERVICES”, de plus elle est indépendante des plates-formes, des langages et des systèmes d’exploitations.

SCADA : logiciel de supervision Le SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) est un logiciel industriel conçu pour optimiser la gestion de production. Il permet le pilotage en temps réel d’un atelier de fabrication, à partir des besoins de production et des moyens disponibles.

Coupleurs Ethernet Les différentes déclinaisons des coupleurs Ethernet proposent des architectures modernes, ouvertes aux différentes technologies logicielles actuelles et fournissent des outils aux utilisateurs les autorisant à réaliser leurs propres fonctions. Cela permet une organisation « objets » totalement compatible avec les environnements informatiques de type MES et ERP.

253

10

10. Traitement de données et logiciel 10.5

10.5

UAG : Générateurs d’applications

UAG : Générateurs d’applications Unity Application Generator (UAG) est un logiciel de conception ainsi qu’un outil de génération qui permet une intégration entre les automates programmables et les systèmes de supervisions (SACDA) ou les interfaces de dialogue homme/machine (HMI). Pour ce faire, UAG utilise la technique de la base de données unique des systèmes de contrôle hybride qui combinent les fonctions des DCS et des automates (API). Si UAG sert les applications mono-automate, son emploi est particulièrement justifié dans les architectures multi-automates. UAG utilise toute la puissance de Unity Pro qu’il associe étroitement avec des systèmes de supervision Monitor Pro, I-FIX ou autres.

b Une réduction significative des temps de développement UAG et les concepts sous-jacents permettent d’impliquer très tôt les différents acteurs avec le client (C Fig.20). La réutilisation des objets, la facilité de mise à jour et de test permettent de réduire de 20 à 30 % la durée du projet, ce qui signifie plusieurs mois sur les projets conséquents.

A Fig. 20

Réduction des temps de développement

b Principales caractéristiques d’UAG - Une seule entrée pour la base de donnée automate/interface

homme/machine (SCADA).

- Utilisation et réemploi des objets à partir de librairie. - Paramétrage des applications du process. - Génération incrémentale pour les SCADA. - Cartographie globale des ressources. - Application PLC (code, variables, configuration, communication, etc.). - Application SCADA (symboles, synoptiques, variables, attributs, alarmes, etc.). - Gestion des communications (Ethernet, ModBus+). - Interface générique sous XML.

254

10. Traitement de données et logiciel

10.5

UAG : Générateurs d’applications

b Fonctionnement du générateur UAG

Unity Application Generator est constitué de trois outils (C Fig.21).

Outil

Champ

Librairie

SCoD Editor

Librairies

Spécification des modules de contrôle, importation des DFBs ou EFBs, spécification des attributs et définition des configurations d’écran (à l’intérieur d’UAG).

UAG Customization Personnalisation Définition des profils utilisateurs pour un projet incluant : les règles de nomage, les catalogues des spécifications matérielles, les librairies, etc. Unity Application Generator A Fig. 21

Projet

Conception du projet, analyse fonctionnelle et générateur d’applications.

Les outils d’UAG

En résumé, l’ensemble des trois outils est représenté sur le synoptique de la figure 22.

v L’éditeur d’objets ScoD Unity Application Generator (UAG) est un outil orienté objet et basé sur des modules de contrôle. Un module de contrôle décrit une unité de process et inclu tous les aspects de la tâche d’automatisme : - La logique de l’API. - La représentation pour l’opérateur, dans le système de supervision. - Les propriétés mécaniques et électriques de l’unité. - La maintenance et le dépannage. La représentation multi-facettes de ces éléments dans UAG est appelée Smart Control Device (SCoD), c’est l’équivalent des modules de contrôle de la norme ISA 88.

A Fig. 22

Synoptique d’UAG

L’instance d’un contrôle a une représentation physique équivalente. Ce peut-être : - Un composant réel, qui peut être pris et inspecté, tel qu’un moteur, une vanne ou un transmetteur de température. - Un élément de contrôle qui est utilisé pour réguler d’autres fonctions telles qu’une boucle PID, un temporisateur ou un compteur. Les modules de contrôle sont définis et utilisés dans des librairies de type, l’éditeur SCoD est l’outil qui crée, modifie et groupe les contrôles clients spécifiques dans des objets (SMart Control Device). A l’intérieur de l’éditeur SCoD, basé sur l’interface DFB/EFB, la définition des règles et des propriétés incluent : - L’interface graphique utilisateur (GUI). - La configuration obligatoire de l’instance du ScoD. - La configuration optionnelle de l’instance du ScoD. - L’héritage de l’instance du ScoD. - Les relations, simples et complexes, héritées par le module sélectionné aussi bien que les autres ScoD. - La définition des données reportée depuis et vers le HMI. - La définition des données liées au modèle topologique. - Les informations spécifiques au HMI comme les alarmes, les unités de mesure, les niveaux d’accès. - La référence aux informations spécifiques du HMI telles que les

ActivesX, les symboles et ce par module.

- La référence aux informations spécifiques de l’automate, telles que les DFB/EFB par module. - La documentation ScoD.

255

10

10. Traitement de données et logiciel

10.5

UAG : Générateurs d’applications

Prenons une vanne comme exemple de Smart Control Device. Une valve est généralement utilisée comme dispositif d’isolement pour empêcher ou permettre l’écoulement de liquide ou de gaz dans un conduit. En général, elle est liée à trois signaux numériques : - Le contact de fin de course ouvert et fermé. - Le signal pour l’actionneur. A Fig. 23

L’éditeur d’objets SCoD

Il existe une grande variété de vannes standards, depuis les plus petites

actionnées par des solénoïdes aux plus grandes actionnées par des

moteurs.

A partir de l’Interface de logique de contrôle de l’automate (API), les

propriétés sont assignées en fonction des différents types de vannes.

Par défaut la vanne est insérée comme “Energize-to-Open”, l’utilisateur

ayant la possibilité de spécifier “Energize-to-Close”.

Le temps de fonctionnement “Travel Time-out” doit être compris dans

l’intervalle [min Value.. max Value].

La figure 23 représente une capture d’écran de l’éditeur.

v UAG Customisation Editor

Cet éditeur (C Fig.24) permet de définir un langage commun entre les

différentes personnes (exploitation, automatisme, maintenance). Il décrit la

liste des éléments utilisés et leur définition, les objets (SCoD) et les

spécifications des interfaces hommes/machines (HMI).

La personnalisation commence par :

A Fig. 24

L'éditeur d'éléments "Customisation Editor"

La liste des librairies de ScoD. La liste des modules matériels (hardware) autorisés. Le niveau d’accès. La définition des noms d’éléments du processus. Les propriétés spécifiques des HMI ou SCADA.

Si nous prenons à nouveau l’exemple d’une vanne. L’utilisateur a besoin de définir exactement cette vanne afin de ne pas la confondre avec une autre dans son système qui ne compte d’ailleurs pas que des vannes. Il va décider de standardiser la structure du nom des composants de son système : . Une vanne donnée aura un nom unique par

exemple : 2311VAL4.

Ainsi tous les autres éléments peuvent être définis :

- La localisation de ScoD correspondant à la vanne. - La section du programme dans l’automate. - Les modules hardware associés de l’automate. - etc. La standardisation est définie, dans les applications d’API et d’HMI, pour l’ensemble des opérateurs et des spécialistes d’automatismes et du process. Le projet suit les règles sans exception. Le personnel de maintenance pouvant être formé avec ces outils. La gestion du projet est facilitée tant que le nombre de vannes est connu.

v Générateur d’applications A Fig. 25

256

Logiciel Unity Application Generator

Unity Application Generator est un logiciel de conception et d’analyse fonctionnelle générant les applications pour les automates et les SCADA (C Fig.25).

10. Traitement de données et logiciel

10.5

UAG : Générateurs d’applications

Deux tâches indépendantes consistent à générer le modèle physique et le modèle topologique : - Le modèle physique décrit le processus sous la forme d’une

arborescence d’éléments comme le montre la figure 25.

- Le modèle typologique décrit le matériel d’automatisme du processus, incluant les automates (API), les entrées/sorties, les réseaux, les Pc, etc., comme l’illustre la figure 26.

b UAG et la norme ISA88

A Fig. 26

Modèle typologique

v Norme ISA 88 : Organisation « avancée » du Contrôle de Processus Le “Contrôle avancé” s’intéresse à l’algorithmique de base permettant d’améliorer les comportements des dispositifs de contrôle automatique, il prend aussi en compte les perturbations organisationnelles et économiques et va jusqu’à remettre en cause les équipements, les méthodes et les résultats des processus de fabrication. La norme ANSI/ISA-88 propose des concepts efficaces pour l’organisation fonctionnelle des applications en vue d’atteindre un degré de robustesse qui permette l’adaptation continuelle des systèmes soumis à ces contraintes. Cette norme focalise sur plusieurs points essentiels : - La flexibilité, la réduction de la complexité et des temps de

développement, et la maîtrise des processus.

- L’approche objet et la réutilisation des classes d’objets. - La séparation du Procédé et du processus. - La séparation du contrôle de processus et de l’automatisme des équipements. Une information complète sur cette norme est disponible sur le site http://www.s88.nl. Unity Application Generator utilise la terminologie de la norme ISA 88 pour le contrôle batch « Part 1 : Models ad Terminology ». En adoptant la structure de cette norme, l’utilisateur d’UAG a la possibilité de décomposer les tâches de son process en accord avec ses propres règles, il effectue ensuite, avec l’aide d’UAG et des éléments définis, la recomposition de ce process.

10

257

10. Traitement de données

et logiciel

10.6

10.6

Définition des principales abréviations employées

Définition des principales abréviations employées DCS Distributed Control System

HMI Human Machine Interface

PLC (programmable logic controler) équivalent à API (automate

programmable industriel).

SCADA (supervisory control and data acquisition) équivalent à

Superviseur (voir paragraphe SCADA).

UAG Unity Application Generator.

MES Manufacturing execution system (abrégé en MES) est un système

informatique dont les objectifs sont essentiellement de collecter en temps

réel les données de production de tout ou partie d’une usine. Ces

données collectées permettent ensuite de réaliser un certain nombre

d’activités d’analyse :

- traçabilité, généalogie, - contrôle de la qualité, - suivi de production,

- ordonnancement,

- maintenance préventive et curative. L’ISA a normalisé et standardisé la structure des progiciels de MES. Souvent un MES se situe entre la partie automatisme de l’usine et les systèmes ERP de planification d’entreprise du type SAP. ERP Enterprise Ressources Planning, en anglais, soit « progiciel de gestion intégré », logiciel qui permet de gérer l’ensemble des processus d’une entreprise, en intégrant l’ensemble des fonctions de cette dernière comme la gestion des ressources humaines, la gestion comptable et financière, l’aide à la décision, mais aussi la vente, la distribution, l’approvisionnement, le commerce électronique. CRM Customer Relationship Management. En français Gestion de la Relation Client (abrégée GRC) constitue un nouveau paradigme dans le domaine du marketing. La GRC a pour but de créer et entretenir une relation mutuellement bénéfique entre une entreprise et ses clients. Dans ce mode de relations commerciales, l’entreprise s’attache la fidélité du client en lui offrant une qualité de service qu’il ne trouverait pas ailleurs. L’image souvent employée pour illustrer ce concept est celle de la relation entre un petit commerçant et ses clients. La fidélité de ces derniers est récompensé, car le commerçant connaît leurs attentes et est capable d’y répondre et de les anticiper (comme un boulanger qui vous met de côté une baguette cuite selon votre préférence et vous fait crédit).

258

10

259

11 260

chapitre Mise en œuvre Présentation des différentes étapes de construction d'un équipement électrique et des règles de qualité et normes nécessaires

11. Mise en œuvre

Sommaire

1 2 11.1

Conception d’un équipement

Page

11.2

Choix d’un fournisseur

Page

11.3

Etablissement des schémas et des programmes

Page

11.4

Méthodologie de programmation

Page

11.5

Choix d’une technologie

Page

11.6

Conception de l’équipement

Page

11.7

Construction d’un équipement

Page

3 4 5 6 7

11.8

Le montage

Page

11.9

Aide à la mise en place d’appareils

Page

11.10 Essais en plate-forme

Page

11.11 Mise en service d’un équipement

Page

11.12 Maintenance de l’équipement

Page

8 9 10 11 12 M

261

11. Mise en œuvre

11.1

Conception d’un équipement

Les équipements d’automatismes mettent en œuvre des produits facilitant la mise en place, le câblage et le raccordement des constituants d’automatisme. Ces produits doivent répondre à certaines normes locales et internationales ainsi qu’aux normes de sécurité du matériel et de protection des personnes. La réalisation d’un équipement comprend 3 phases : - la conception (schéma, écriture du programme, choix du matériel, étude

d’implantation),

- la construction (montage, câblage, essais, mise en coffret ou en armoire), - l’installation (passage des câbles, raccordements, mise en service). Pour mener à bien ces trois phases, un certain nombre de réflexions doivent être préalablement conduites pour s’assurer : - de l’analyse des problèmes potentiels qui pourraient avoir un impact sur la sécurité et/ou la disponibilité de l’équipement (voir chapitre 7 Sécurité), - de la mise en place d’actions préventives et/ou de modifications du schéma d’automatisme initialement imaginé, - de la capacité du sous traitant éventuel à respecter ces exigences, - de la conformité de l’équipement vis-à-vis des exigences. Ce chapitre a pour objectif de faire connaître les règles de mise en œuvre des constituants d’automatisme, ainsi que des produits Schneider Electric qui facilitent la réalisation des équipements. Basées sur l’expérience, une méthodologie et des règles de l’art décrites pour chacune des trois phases doivent permettre une réalisation d’équipements plus sûre et plus économique.

11.1

Conception d’un équipement Une réalisation d’équipement d’automatisme réussie repose essentiellement sur l’analyse d’un cahier des charges précis. Les outils utilisés pour la conception, le dessin des schémas, le choix des constituants et leur implantation peuvent être différents suivant la complexité de l’installation et les choix réalisés par le prestataire de services. D’autre part, si la coopération entre un mécanicien et un électricien ou un automaticien peut s’avérer suffisante lorsqu’il s’agit d’équiper une machine autonome simple, la réalisation d’équipements pour des machines plus complexes pour des îlots de production ou la conduite de processus, nécessite souvent l’intervention d’équipes pluridisciplinaires. La réalisation s’apparent à la conduite de projet qui sort du cadre de cette publication.

b Le cahier des charges Il importe que le cahier des charges de la partie commande contienne tous les éléments nécessaires à la réalisation du projet. Il est étroitement lié au cahier des charges de la partie opérative (mécanique et actionneurs). Les renseignements qu’il comporte servent : - au choix de la solution à mettre en œuvre, - à la réalisation proprement dite, - aux essais de vérification du fonctionnement, - à la définition des coûts et des calendriers prévisionnels, - de référence pour la réception. Pour faciliter l’expression du besoin client, il est souhaitable que le cahier des charges soit structuré de la manière suivante : - généralités : présentation de l’application, normes et recommandations, impositions éventuelles de matériel, - caractéristiques du réseau d’alimentation, etc, - utilisation : disposition des organes de commande, modes d’exploitation, fréquence d’utilisation, etc, - caractéristiques fonctionnelles : fonctions à réaliser, extensions possibles, dialogue homme/machine, équipements périphériques, etc.

262

11. Mise en œuvre

11.1 11.2

Conception d’un équipement Choix d’un fournisseur

- environnement : température, hygrométrie, vibrations, chocs, atmosphère corrosive, poussières, etc, - les logiciels spécifiques : par exemple logiciels d’aide au diagnostic, la supervision, les protocoles de communication, etc, - réglages : nature, procédures, repérages, - procédures d’essais de réception sur site, - documents d’accompagnement, - tout autre complément d’information pouvant impacter la réalisation de l’équipement, comme, par exemple le conditionnement pour le transport.

11.2

Choix d’un fournisseur Pour la réalisation d’un équipent, il est de l’intérêt du donneur d’ordres de

sélectionner un tableautier certifié sous le référentiel ISO 9000.

Le choix d’un fournisseur certifié aura pour effet de simplifier le dialogue,

de limiter les contrôles, d’obtenir un dossier de l’équipement parfaitement

à jour, d’assurer un mise en service sans problème et de faciliter la

maintenance. La maîtrise des coûts est ainsi assurée.

b La norme ISO 9000 Les équipement deviennent de plus en plus sophistiqués, les technologies

de plus en plus critiques, les contraintes réglementaires de plus en plus

rigoureuses.

Tout cela entraîne des difficultés dans la maîtrise des événements de part

leur complexité.

Le donneur d’ordres doit avoir la certitude que l’équipement réalisé

correspondra très exactement à son cahier des charges et que toutes les

précautions concernant sa réalisation auront été prises.

En particulier, les changements inévitables intervenant en cour de réalisation

devront être parfaitement compris et interprétés par le tableautier, les

personnels intervenant sur l’équipement devront avoir reçu la formation

appropriée, les produits non conformes devront être identifiés et isolés.

Il y a donc en permanence une relation de “Client - Fournisseur” qui

s’installe.

Le fournisseur doit démontrer au client sa compétence et son savoir-faire

en matière de qualité de l’offre et démontrer la maîtrise des processus de

réalisation.

Le donneur d’ordres doit être rassuré de la capacité de son sous-traitant

pour assurer ces missions et seule une organisation rigoureuse est

capable de réaliser ce challenge.

La norme ISO 9000 et les certifications ont pour objet de faciliter cette

relation Client Fournisseur par le management de la qualité.

b Le management de la qualité “Le management de la qualité” précise ce que l’organisation fait pour assurer que le produit issu de ses ateliers, dans notre cas l’équipement réalisé suivant le cahier des charges du donneur d’ordres, est conforme aux exigences. La manière dont l’organisation gère ses processus a, à l’évidence, des incidences sur son produit final. S’agissant d’ISO 9000, la certification portera sur le fait de savoir si tout a été fait pour assurer que le produit satisfait aux exigences du client. La norme internationale ISO 9000 est une norme générique qui regroupe les normes ISO 9001, 9002 et 9003.

263

11

11. Mise en œuvre

11.2 11.3

Choix d’un fournisseur Etablissement des schémas et des programmes

La différence entre les normes ISO 9001, ISO 9002 et ISO 9003 tient simplement au domaine d’application : - ISO 9001 établit les exigences relatives à une organisation dont les activités vont de la conception et du développement à la production, à l’installation et aux prestations associées ; - ISO 9002 est la norme appropriée pour une organisation qui ne s’occupe pas de la conception et du développement et fixe les exigences d’organisation pour la production, l’installation et les prestations associées ; - ISO 9003 est la norme qui correspond aux besoins d’une organisation qui a fondamentalement recours aux contrôles et aux essais pour assurer que les produits et les services finaux satisfont aux exigences spécifiées. Le donneur d’ordre choisira le tableautier dont l’organisation correspondra le mieux aux prestations demandées. Généralement une certification suivant le référentiel ISO 9002 est le minimum acceptable. Le choix du donneur d’ordres s’effectuera à partir de l’examen du Manuel Qualité du ou des fournisseurs retenus. Ce Manuel Qualité décrit l’organisation et le management mis en place dans l’entreprise.

11.3

Etablissement des schémas et des programmes b Les schémas de commande et de puissance Les schémas de commande et de puissance sont généralement réalisés à l’aide d’un logiciel graphique associé à des bases de données qui renferment des symboles graphiques ou des schémas standard. Les schémas peuvent être : - soit entièrement réalisés à partir de ces bases de données, - soit adaptés à partir du schéma d’une application similaire déjà

existante.

Les programmes d’automates peuvent également être développés en utilisant des logiciels d’aide à la programmation et les ateliers logiciels. Les équipements complexes mettent la plupart du temps en œuvre un ou plusieurs automates programmables multifonctions.

b Modes de marches et d’arrêts Les modes de marches et d’arrêts d’un système automatisé ont été analysés par l’ADEPA et sont classés dans un guide graphique, le GEMMA. Ce guide, indépendant de la technologie de commande, permet de définir les modes ou états de fonctionnement du système en respectant un vocabulaire précis, les liaisons possibles entre ces modes ou états, et les conditions d’évolution. Le GEMMA regroupe les modes de marches et d’arrêts en trois familles de procédures.

b Les procédures de fonctionnement : analyse fonctionnelle C’est la description analytique du fonctionnement de la machine : - marche de production normale, - marches de préparation ou de clôture, - marche de vérification, - procédures d’arrêts, - répertoire des données d’entrées et de sorties, - identification des traitements à effectuer afin de structurer la

programmation des éventuels automates programmables.

264

11. Mise en œuvre

11.3

Etablissement des schémas et des programmes

b Les procédures de défaillances Elles concernent les états de marche ou d’arrêt consécutifs à une défaillance du système : - arrêt d’urgence, - marche dégradée, etc.

b Sûreté de fonctionnement v Exigences normatives La sûreté de fonctionnement des automatismes est leur aptitude à fonctionner : - sans danger pour les personnes et les biens (sécurité), - sans arrêt de production lié à une défaillance (disponibilité). La sécurité doit être appréhendée sous les aspects de l’analyse des risques, de la réglementation et des normes en vigueur. L’étude de la sûreté de fonctionnement s’appuie sur une procédure d’évaluation des risques à appliquer successivement : au produit, au processus (parties opératoire et commande) et à l’exploitation. Le lecteur qui désire de plus amples informations sur le sujet pourra consulter La sécurité des machines

Tome 1 et 2 diffusés par l’Institut Schneider Formation.

La législation européenne s’appuie sur la directive machine (89/392/CEE)

définissant les exigences essentielles concernant la conception et la construction des machines et des installation industrielles pour la libre circulation de ces biens dans la Communauté européenne.

v Outil d’analyse Un outils d’analyse tel que l’AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets et de leur Criticité) peut, par une démarche systématique permettre d’envisager tous les aspects relatifs aux défaillances et d’apporter des solutions appropriées. L’AMDEC a pour but d’évaluer l’impact, ou la criticité, des modes de défaillances des composants d’un système sur la fiabilité, la maintenabilité, la disponibilité et la sécurité de ce système La démarche AMDEC consiste à recenser les modes de défaillance des composants et sous-ensembles, d’en évaluer les effets sur l’ensemble des fonctions d’un système. Cette méthode est largement recommandée au niveau international et systématiquement utilisée dans toutes les industries à risque, comme le nucléaire, le spatial et la chimie, dans le but de faire des analyses préventives de la sûreté de fonctionnement. Avant de se lancer dans la réalisation proprement dite des AMDEC, il faut connaître précisément le système et son environnement. Ces informations sont généralement les résultats de l’analyse fonctionnelle, de l’analyse des risques et éventuellement du retour d’expériences. Dans un second temps, il faut évaluer les effets des modes de défaillance. Les effets de mode de défaillance d’une entité donnée sont étudiées d’abord sur les composants directement interfacés avec celui-ci (effet local) et de proche en proche (effets de zone) vers le système et son environnement (effet global). Il est important de noter que lorsqu’une entité donnée est considérée selon un mode de défaillance donné, toutes les autres entités sont supposées en état de fonctionnement nominal. L’AMDEC repose sur le fait, largement vérifié, de la non simultanéité des défaillances. Dans un troisième temps, il convient de classer les effets des modes de défaillance par niveau de criticité, par rapport à certains critères de sûreté de fonctionnement préalablement définis au niveau du système en fonction des objectifs fixés (fiabilité, sécurité, etc.).

265

11

11. Mise en œuvre

11.3 11.4

Etablissement des schémas et des programmes Méthodologie de programmation

Les modes de défaillance d’un composant ou sous ensemble sont regroupés par niveau de criticité de leurs effets et sont par conséquent hiérarchisés. Cette typologie permet d’identifier les éléments les plus critiques et de proposer alors les actions et les procédures “juste nécessaire” pour y remédier. Cette activité d’interprétation des résultats et de mise en place de recommandations constitue la dernière étape de l’AMDEC. Pour limiter les AMDEC au strict nécessaire et pour surmonter le volume des entités à étudier il est recommandé de conduire des AMDEC fonctionnelles. Cette approche permet de détecter les fonctions les plus critiques et de limiter ensuite l’AMDEC “physique” aux composants qui réalisent tout ou partie de ces fonctions. La méthodologie AMDEC fournit : - une autre vision du système, - des supports de réflexion, de décision et d’amélioration, - des informations à gérer au niveau des études de sûreté de

fonctionnement et des actions à entreprendre.

11.4

Méthodologie de programmation b Problématique de la programmation Un nombre de plus en plus important de logiciels est utilisé dans l’entreprise. La diversité des applications impose une approche collaborative dès la conception d’une nouvelle unité de production. Une analyse globale mettant en œuvre un ensemble d’activités aboutira à la conception, l’écriture, la mise au point et la livraison de logiciels au demandeur. En règle générale, la conception va suivre 3 grandes phases : - Phase d’analyse (fonctionnelle) ou de conception. - Spécification : le cahier des charges étant l’approche traditionnelle. - Réalisation.

v Méthode d’analyse et de conception La finalité d’une méthode d’analyse et de conception est de formaliser les étapes préliminaires du développement d’un système afin de le rendre conforme aux besoins du client. Pour ce faire, on part du besoin exprimé, éventuellement complété par informations auprès des experts du domaine et de réalisations similaires. La phase d’analyse permet de lister les résultats attendus, en termes de fonctionnalités, de performance, de robustesse, de maintenance, de sécurité, d’extensibilité, etc. La phase de conception permet de décrire de manière non ambiguë, le plus souvent en utilisant un langage de modélisation, le fonctionnement futur du système, afin d’en faciliter la réalisation. La tendance actuelle en automatisme fait appel à la programmation objet héritée de l’informatique. De nombreux avantages en découlent : sûreté de code, réutilisabilité, protection du savoir, qualification et réception plus rapide.

v Outils de programmations L’évolution des besoins et la multiplication des données à prendre en considération ont conduit à la création d’ateliers logiciels modernes et productifs. On désigne par atelier de génie logiciel (AL) un ensemble de programmes informatiques permettant eux-mêmes de générer le code qui sera utilisé par les automates programmables industriels.

266

11. Mise en œuvre

11.4 11.5

Méthodologie de programmation Choix d’une technologie

Les activités qui sont généralement couvertes par un AL d’automatisme recouvrent les éléments suivants : - conception générale du projet, étapes ou phases de réalisation, - conventions de nommage des données et des sous-ensembles de programmes, - structuration des données, - aide à l’édition de programmes dans différents langages, - compilation ou génération, - aide aux tests et suivi des corrections, - bibliothèques de sous-ensembles pouvant être réutilisées dans

plusieurs projets,

- documentation, - gestion des versions successives ou des variantes d’un même

programme,

- aide à la mise en service. Un AL facilite la collaboration des différents programmeurs ainsi que la maintenance ultérieure des programmes en les incitants à partager les mêmes méthodes.

11.5

Choix d’une technologie Les technologies disponibles pour la réalisation d’équipements d’automatisme sont principalement : électromécanique, pneumatique ou électronique (automates programmables, micro et mini-ordinateurs, cartes électroniques standard ou spécifiques). Les réseaux et les bus de terrains prennent de plus en plus d’importance dans la réalisation des équipements et conditionnent fortement le choix des matériels. Le lecteur qui désire compléter ses informations pourra consulter Les bus de terrains diffusés par l’Institut Schneider Formation ou le Cahier Technique N° CT197 Bus de terrain : une approche utilisateur. On distingue trois types de critères de choix : - les critères de faisabilité qui éliminent les technologies ne pouvant conduire à la satisfaction du cahier des charges. - les critères d’optimisation dont l’objectif est de minimiser le coût global durant le cycle de vie de l’équipement (achats, mise en œuvre, mise au point, flexibilité, immobilisation, gestion de production, maintenance, etc.), - les critères économiques de réalisation permettant de réaliser

l’équipement au coût optimum.

Les ADMEC préalables permettront, le cas échéant, de sélectionner la technologie la plus appropriée.

b Choix des constituants Différentes contraintes sont à prendre en compte : - température ambiante (déclassement éventuel du matériel), poussières, vibrations etc., - coordination des appareils qui constituent les départs puissance, - sélectivité entre les appareils de protection jusqu’au disjoncteur

général,

- temps de cycle machine désiré, - nombre de cycles de manœuvres, - catégorie d’emploi (AC-1, AC-3, etc.), - normes (pétrochimie, EDF, marine, etc.).

267

11

11. Mise en œuvre

11.6

11.6

Conception de l’équipement

Conception de l’équipement b Conception Assistée par Ordinateur Dans le domaine de la conception des systèmes d’automatismes, l’outil logiciel apporte une aide considérable. Au-delà de la réalisation du schéma, il accompagne le concepteur tout au long du projet, depuis l’enregistrement de la demande du client pour le devis jusqu’à la mise en service et l’aide à la maintenance. Outre les gains importants de productivité obtenus dans la conception des systèmes, cette manière d’opérer améliore la qualité des schémas et des programmes, et facilite leur mise à jour quand il y a évolution. Un logiciel de CAO propose principalement :

v Une base de symboles intelligents Chaque symbole est doté d’un comportement (maître, esclave) d’une fonction électrique (sectionnement, commutation, etc.), de bornes de connexion. Il est relié à une famille de matériels (sectionneurs, contacteurs, etc.) et associé à une méthode de repérage. Il peut recevoir des références variables proposées par le logiciel ou saisies par l’utilisateur. Cette base assure en outre la cohérence de toutes les informations et guide l’utilisateur dans leur saisie. Une base matérielle contenant les informations techniques et commer­ ciales de nature à faciliter le choix des constituants, l’établissement des nomenclatures, des devis et des achats. Des fonds de plans standardisés (définition unifilaire, structure d’automatisme, schémas de puissance et de commande, encombrements, nomenclatures, etc.). Une base de données de schémas (sous-ensembles départs-moteur puissance et commande, mouvements de levage …). Elle permet de répondre très rapidement à un appel d’offre (schémas unifilaires) et simplifie la réalisation des schémas.

v Une gestion des informations propres à une installation électrique -

liaisons équipotentielles, détection des numéros déjà existants, contrôle des court-circuits, gestion des borniers, repérage du matériel, constitution automatique et contrôle de l’unicité des repères, références croisées, gestion des capacités des contacteurs auxiliaires et des numéros de bornes, - aide à la détermination des encombrements.

b Détermination de l’encombrement Trois méthodes sont utilisées pour définir l’encombrement d’un équipement.

v Méthode d’implantation directe Cette méthode s’applique aux équipements de dimensions réduites sur des platines standards, disponibles chez les fabricants d’appareillage. Par exemple, la mise en place des appareils se fera directement sur une planche d’implantation reproduisant à l’échelle 1 la trame de la platine perforée Telequick®. L’encombrement de l’équipement est ainsi déterminé rapidement et économiquement.

268

11. Mise en œuvre

11.6 11.7

Conception de l’équipement Construction d’un équipement

v Méthode par calcul des surfaces Elle permet de déterminer très rapidement et avec précision l’encombrement

de l’équipement.

La démarche est la suivante :

totaliser les surfaces des appareils composant l’équipement (celles-ci

sont indiquées dans les catalogues) et multiplier le total obtenu par le

coefficient de foisonnement suivant :

- 2.2 pour un total maximal de 34.2 dm2, - 2.5 pour un total supérieur à 34.2 dm2. Le cahier des charges de certains clients peut imposer l’application d’un plus grand coefficient dans le but de ménager une place disponible pour

d’éventuelles modifications.

Le résultat obtenu donne la surface totale utile de l’équipement.

Des règles de choix, fournies par les constructeurs tels que Telemecanique,

facilitent la recherche des références des platines, montants, profilés et enveloppes à partir de la surface utile. Ces règles indiquent également la puissance calorifique que peuvent dissiper les parois de l’enveloppe.

v Méthode assistée par ordinateur Elle se justifie pour les services spécialisés dans l’étude d’équipements

d’automatismes.

Cette fonction d’aide à l’implantation, intégrée au logiciel de CAO,

propose à partir du schéma et d’une Base Matériel des vignettes

d’encombrement.

v Dossier de fabrication Le dossier complet doit être constitué avant lancement en fabrication. Il définit : - la liste de tous les documents, par un sommaire, - les coffrets : implantation, perçages, accessoires, etc., - les armoires : implantation, plan des châssis, perçages, etc., - les postes de commande : perçages, accessoires, etc., - les schémas électriques, - les programmes, - la nomenclature du matériel, - les plans d’encombrement.

11.7

Construction d’un équipement De nombreux constructeurs de matériel électrique développent des auxiliaires d’équipements pour la mise en œuvre de leurs produits. C’est notamment le cas de Telemecanique qui propose le système Telequick® (C Fig.1). Ce système regroupe les produits indispensables pour la réalisation d’un équipement et assure une mise en œuvre aisée et rapide de tous les constituants d’automatisme. Compte tenu de leurs caractéristiques, nous avons classé les produits qui le composent dans quatre fonctions différentes pour Envelopper, Structurer, Répartir et Connecter.

b La fonction “envelopper”

A Fig. 1

Platine perforée Telemecanique Telequick®

Pour protéger le matériel contre les chocs, les intempéries et pour résister aux conditions d’emploi les plus sévères rencontrées dans l’industrie, les équipements doivent être montés dans des coffrets ou des armoires. Ces enveloppes doivent par ailleurs proposer toutes les fonctionnalités propres à réduire les temps de montage et d’intervention. Suivant les degrés de protection demandés, les enveloppes répondent à des définitions normatives et à des codes IP (IP signifie “International Protection”).

269

11

11. Mise en œuvre

11.7

Construction d’un équipement

Le code IP est décrit par la publication 60529 de la Commission Electrotechnique Internationale. Ce code permet de décrire les degrés de protection procurés par les enveloppes contre l’approche de parties dangereuses, la pénétration de corps solides étrangers et contre les effets nuisibles, de l’eau au moyen de chiffres et de lettres. Le premier chiffre de 0 à 6 indiquent simultanément la protection des personnes contre l’accès aux parties dangereuses et la protection contre la pénétration des corps étrangers. Le deuxième chiffre également de 0 à 6 indique la protection contre les projections d’eau. Les lettre additionnelles indiquent des protections additionnelles comme des chicanes internes. Le cahier technique CT 166 Enveloppes et degrés de protection expose de manière exhaustive les numérotations et la sévérité des essais correspondants.

A Fig. 2

Armoire AA3 Telemecanique

L’incorporateur à la responsabilité de la conformité à la norme du produit terminé. Mais le constructeur de l’enveloppe doit indiquer dans sa documentation où doit être monté le matériel pour que les degrés de protection qu’il annonce soient maintenus. Enfin, l’installateur qui va raccorder les armoires coffrets (passage de câbles), les fixer et dans certains cas adapter des auxiliaires (boutons poussoirs, appareils de mesure, etc.) doit veiller au maintien du degré de protection spécifié. Schneider Electric propose toute une gamme de coffrets et d’armoires (C Fig.2) ainsi que des accessoires conformes aux indices de protection IP normalisés.

b La fonction “structurer” Pour assurer l’association mécanique des constituants entre eux, il existe des gammes de produits parfaitement adaptés permettant de monter et de fixer correctement les constituants d’automatisme. Ces produits assemblés entre eux constituent l’ossature de l’équipement, et par leurs artifices de montage permettent une grande souplesse d’utilisation, un large choix de possibilités de montage, ainsi qu’une économie non négligeable sur la mise en œuvre.

b La fonction “répartir”

v Répartition de l’alimentation électrique

Lors de la réalisation d’équipements, la mise en œuvre des produits doit allier sécurité, simplicité, rapidité de montage et de câblage. La maintenance et les modifications éventuelles de ces équipements doivent être faciles à réaliser, avec une incidence aussi faible que possible sur la continuité d’exploitation de l’installation. Pour répondre à ces critères, il existe des répartiteurs dont la fonction de base est de dériver un courant principal vers plusieurs circuits secondaires (consulter le catalogue général Schneider Electric pour plus d’information). Certains modèles sont par ailleurs conçus pour servir également de support aux produits. Des interventions sous tension sont alors possibles (connexion ou déconnexion d’un départ moteur par exemple). A Fig. 3

270

Départs moteur réalisés avec le systèmeTego Power de Telemecanique

C’est en particulier le cas de la technologie Tego Power de Telemecanique (C Fig.3).

11. Mise en œuvre

11.7

Construction d’un équipement

v Répartition des signaux faibles Les constructeurs proposent dans leur catalogue des interfaces et des systèmes de raccordement pour les différent signaux de commande : - interfaces pour signaux TOR (C Fig.4), - interfaces pour signaux analogiques, - interfaces pour sondes de température, - interfaces de câblage, - constituants périphériques d’automatisme, - interface pour bus de terrains.

v La fonction “connecter” A Fig. 4

Interface TOR ABS2

Cette fonction regroupe les produits nécessaires au câblage et au raccordement des équipements. • Les blocs de jonction (C Fig.5) Ils sont conformes aux normes UTE et répondent aux principales homologations. Ils sont réalisés en polyamide de couleur qui autorise leur utilisation à des températures de -30 à +100°C. Leur tenue au feu est conforme à la norme NF C 20-455. Ils sont repérables à l’aide de caractères encliquetables en barrettes ou en brochettes. Ils sont destinés aux raccordements des conducteurs de section maximale 240 mm2. Ils répondent à tous les besoins : - large gamme de courants, de quelques ampères (circuits de commande, de signalisation, électroniques, etc.), à plusieurs centaines d’ampères (raccordements puissance), - blocs unipolaires ou multipolaires fixes ou débrochables, - connexions vissées, boulonnées, clipsées ou soudées ou à ressort, - blocs pour fonctions particulières telles que supports de fusibles ou de composants électroniques, bornes sectionnables, raccordement du conducteur de protection, etc., - montage sur profilés, sur platines perforées ou sur circuits imprimés.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

2 1 4 3 6 5 8 7 10 9

A Fig. 5

Bloc de jonction Telemecanique

• Les embouts de câblage L’emploi des embouts présente de nombreux avantages : - simplification du câblage, le sertissage du fourreau en cuivre étant réalisé automatiquement au serrage de la connexion dans la borne, - tenue parfaite aux vibrations, - absence de fluage des brins souples, - gain de temps d’exécution et de raccordement, - mêmes languettes porte-repères et mêmes repères quelle que soit la section des câbles. Chaque languette peut recevoir 7 bagues de repérages (lettres ou chiffres). Les embouts Telemecanique possèdent en outre : - une couleur de manchon différente pour chaque section, - suivant les modèles, 3 longueurs de fourreau, Il existe des embouts surmoulés : suivant norme NF C 63-023 - sans porte-repères, pour sections de 0.25 à 6 mm2, - avec porte-repères intégrés pour sections de 0.25 à 6 mm2, - avec porte-repères amovibles pour sections de 4 à 50 mm2.

11

suivant norme DIN 46228 - couleur du manchon par section différente de celle de la norme française, - sans porte-repères pour les sections de 0.25 à 50 mm2. • Les lyres et les goulottes de câblage Le rôle des lyres et des goulottes de câblage consiste à canaliser les fils pour former des nappes horizontales et verticales situées dans le même plan que les appareils. Le câblage s’effectue entièrement de l’avant, ce qui facilite les dépannages et modifications.

271

11. Mise en œuvre

11.7 11.8

Construction d’un équipement Le montage

Elles sont réalisées en P.V.C., et leur principale particularité est de ne comporter aucune pièce métallique en contact avec les conducteurs qu’elles renferment.

A Fig. 6

11.8

Goulotte Telemecanique

• Les goulottes (C Fig.6) Elles possèdent des fentes latérales débouchantes et des perforations dans le fond. Elles se fixent verticalement ou horizontalement sur des pieds supports munis d’un dispositif de fixation quart de tour. Ces pieds supports sont encliquetables sur les profilés combinés ou chapeaux de 35 mm, ainsi que sur les platines perforées. Plusieurs dimensions de goulottes sont disponibles, et peuvent recevoir jusqu’à 700 fils de 1.5 mm2. Un couvercle de fermeture s’emboîte sur les goulottes. Le même porte-repères s’adapte sur les goulottes et sur les lyres.

Le montage Les constituants d’automatisme et de distribution sont conçus pour être montés sur des châssis ou des charpentes. Le but de ce paragraphe est de rappeler quelques définitions, de signaler des “astuces” ou “règles de l’art”, et d’attirer l’attention sur les précautions à prendre lors du montage des appareils.

b Châssis C’est un ensemble constitué de deux montants verticaux perforés, crantés

ou non.

Le montage de l’appareillage, suivant sa technologie de fixation, s’effectue

par encliquetage ou par vissage sur :

- des profilés horizontaux, - des platines perforées, - des platines pleines, - un mixte composé de profilés et de platines. Suivant les dimensions des profilés ou des platines et surtout de la masse de l’appareillage, il est recommandé d’utiliser : - des profilés combinés ou chapeaux de 35 mm, - des profilés chapeaux de 75 mm, - des montants en “C” utilisés en supports d’appareils à la place des profilés horizontaux, - des platines perforées munies à l’arrière d’un profilé horizontal servant de raidisseur. En général, les châssis sont montés dans des coffrets ou des armoires monoblocs.

b Charpente C’est un ensemble constitué d’un ou plusieurs châssis juxtaposés ou dos à dos, maintenu au sol par un dispositif traverse/pied de charpente ou fixé au mur par le haut des montants. Une charpente peut également être installée dans une armoire associable équipée à la partie supérieure d’un jeu de barres horizontal pour alimenter chacun des châssis.

b Appareils sur porte ou plastron Certains dispositifs de commande ou de visualisation sont montés sur les portes des enveloppes ou sur des plastrons. Afin de préserver l’ergonomie des appareils, leur disposition doit respecter certaines règles dépendant de leur nature (commande ou visualisation) et de l’élévation par rapport au sol.

272

11. Mise en œuvre

11.8 11.9

Le montage Aide à la mise en place d’appareils

Cette disposition doit tenir compte du nombre d’accessoires à positionner : - peu d’accessoires : répartition sur l’axe horizontal de la zone

concernée,

- nombreux accessoires : répartition sur l’ensemble de la zone intéressée. Certaines portes et plastrons comportent des renforts ou accessoires intérieurs limitant les possibilités d’implantation. Il faut en outre vérifier la profondeur des éléments disposés sur la porte par rapport à ceux montés sur le châssis et tenir compte de leur poids.

K M2

A Fig. 7a

Fixation des produits sur rail 35 mm

b Fixation des appareils D’une manière générale, il convient d’adopter le principe suivant pour la fixation et le montage de l’appareillage sur châssis ou charpentes : toutes les fixations d’appareils doivent pouvoir s’effectuer par l’avant. En effet, dans la plupart des cas, les équipements sont présentés en coffrets ou en armoires, et il est évident que les modifications ou les adjonctions d’appareils seront plus aisées si les fixations sont accessibles par l’avant. Les figures 7a et 7b montre quelques exemples de montage d’appareils.

KM1 KM3 KM2

A Fig. 7b

11.9

Fixation des produits sur platine perforée 8

Aide à la mise en place d’appareils Pour respecter les degrés de protection et faciliter le travail des intégrateurs, Schneider Electric met à disposition des logiciels et des produits permettant de réaliser simplement l’intégration des boutons poussoirs et interfaces de dialogue homme/machine (gamme Tego dial). Le logiciel facilite la prise en compte de l’ergonomie et les kits de montage et fixation permettent de réduire notablement les temps d’étude et de réalisation.

b Le câblage La méthode de câblage dite “au moyen du schéma des circuits, représentation développée” repose sur l’utilisation systématique des repères des bornes des appareils, ceux-ci étant reportés sur le schéma des circuits. Elle est applicable pour le câblage des circuits de puissance et de commande de tous les équipements à base de contacteurs, quelle que soit leur complexité. Ce procédé de câblage se traduit pour l’utilisateur, par un gain de temps. Le schéma des circuits se caractérise par : - la rapidité d’exécution : gain de temps à la conception, - sa clarté : figuration simple des circuits électriques, - son interprétation aisée : câblage intuitif, - son efficacité en cours d’exploitation : compréhension, recherches, modifications et dépannages aisés. Il peut être accompagné d’un plan de disposition ou d’implantation du matériel facilitant la localisation des éléments. Il peut être également complété par un schéma des raccordements extérieurs.

273

11

11. Mise en œuvre

11.9 Aide à la mise en place d’appareils 11.10 Essais en plate-forme

b Comment câbler à l’aide du schéma des circuits Que ce soit le circuit de puissance ou le circuit de commande, le câbleur lit le repère des bornes de l’appareil sur le schéma des circuits et exécute les connexions de section appropriées entre les repères correspondants sur l’équipement. Par exemple, seront reliées : - la borne 2 du sectionneur Q1 et la borne 1 du fusible F1, - la borne 22 du contact KM3 et la borne 57 du contact KA1.

11.10 Essais en plate-forme Les essais en plate-forme ont pour but de corriger les erreurs éventuellement commises lors de la construction de l’équipement et d’effectuer les réglages préliminaires à la mise en service. Il est donc nécessaire de vérifier que : - le matériel est celui prévu sur les plans et correctement monté, - le câblage est conforme aux schémas, - le fonctionnement correspond aux exigences du cahier des charges. Certaines de ces vérifications doivent être faites sur l’équipement sous tension. Il est donc impératif de respecter les points suivants : - les essais en plate-forme doivent toujours être effectués par un

personnel qualifié et habilité à intervenir sur du matériel électrique

sous tension,

- toutes les précautions d’usage doivent être prises pour assurer la sécurité des personnes, conformément à la réglementation en vigueur.

b Contrôle de conformité du matériel Ce contrôle correspond à un examen de l’aspect physique de l’équipement et consiste à vérifier que : - les documents contractuels (schéma, nomenclature, implantation,

etc.) sont présents,

- le matériel monté sur le châssis est celui mentionné sur les

documents,

- la disposition et le montage du matériel sont ceux prescrits sur les documents, - le matériel n’a pas subi de détérioration mécanique, - les repères des différents éléments sont portés sur les appareils, et les éléments montés sur les portes sont repérés par des étiquettes, - la tension de tous les appareils correspond à la tension d’utilisation, - les ampoules des voyants sont en place et correspondent à la tension d’utilisation, - le calibre des appareils correspond à celui indiqué sur les schémas, - le calibre et le type des fusibles est conforme (en règle générale, les fusibles standard sont installés par le plate-formiste), - les borniers sont convenablement repérés, montés et de section suffisante pour permettre un raccordement aisé du câblage extérieur. Il faut en particulier vérifier le bon isolement des bornes de masse par rapport aux bornes voisines (position correcte des flasques isolants), - les distances entre bornes, appareils et masses, ainsi que les

périmètres de sécurité, sont respectés,

- les caractéristiques des différents constituants sont conformes à leur utilisation, - les règles de construction ou les spécifications particulières à la commande sont respectées. Une preuve du contrôle, sur un document spécifique ou bien sur le schéma d’implantation renseigné, visé par l’opérateur, devra apporter la preuve que l’opération a été réellement effectuée.

274

11. Mise en œuvre

11.10 Essais en plate-forme

b Contrôle du serrage des connexions et réglages préliminaires Avant de procéder à l’essai électrique de l’équipement, il faut s’assurer que toutes les connexions commande et puissance sont parfaitement serrées. Cette opération est importante car une connexion mal serrée peut provoquer différents incidents : échauffement anormal, chute de tension, court-circuit. L’opérateur peut ensuite régler la valeur du courant de déclenchement des relais de protection thermique en affichant, sur le cadran de réglage de chacun d’eux, le courant indiqué sur le schéma, à côté de la puissance des moteurs.

b Contrôle d’isolement La qualité de l’isolement d’un dispositif se mesure en mégohms (= 106 Ω) à l’aide d’un mégohmmètre. L’isolement est mesuré : - soit entre deux conducteurs isolés l’un de l’autre, - soit entre un conducteur isolé de la terre et des masses d’une part et les masses mises à la terre d’autre part. Les appareils et circuits sensibles ayant été débranchés, on vérifie l’isolement du câblage de chaque circuit, entre bornes d’une part ,et entre bornes et terre de protection d’autre part. De même, on vérifie l’isolement des conducteurs des organes de coupure, de part et d’autre de ceux-ci. Le tableau figure 8 indique les valeurs de tension à utiliser pour la mesure de l’isolement et la valeur de résistance d’isolement à obtenir. Tension nominale du circuit

Tension continue d’essai d’isolement

Résistances d’isolement en MΩ

< 48 V

250 V

Supérieur ou égale à 0.25

Tension comprise entre entre 48 et 500 V

500 V

Supérieur ou égale à 0.5

Tension supérieure à 500 V

1 000 V

Supérieur ou égale à 1

A Fig. 8

Tension d’essai d’isolement

b Essais diélectriques Il s’agit d’un essai permettant d’éprouver la rigidité diélectrique de l’ensemble d’appareillage à une tension alternative définie en fonction de la tension nominale d’isolement du circuit. La rigidité diélectrique s’exprime par la résistance à une tension d’essai appliquée entre les conducteurs actifs et la masse du châssis. L’essai est considéré comme satisfaisant quand il n’y a ni claquage ni contournement. L’appareil utilisé est un pont de claquage délivrant une tension alternative de valeur réglable à une fréquence située entre 45 et 55 Hz. Cet appareil peut fournir une tension élevée sous un très faible courant. Au moment de son application, la tension d’essai ne doit pas excéder 50 % de la valeur indiquée dans le tableau figure 9. Tension nominale d’isolement

Tension d’essai diélectrique (tension efficace)

< = 60 V

1 000 V

Tension comprise entre 61 et 300 V

2 000 V

Tension comprise entre 301 et 660 V

2 500 V

A Fig. 9

Tension d’essai diélectrique

275

11

11. Mise en œuvre

11.10 Essais en plate-forme

Elle est ensuite progressivement augmentée jusqu’à atteindre en quelques

secondes la valeur spécifiée. Cette tension est ensuite maintenue pendant

une minute.

Lorsque l’équipement comprend des appareils à base d’électronique, les

essais diélectriques ne peuvent être fait à posteriori.

Pour éviter toute destruction, ces essais doivent être réalisés au fur et à

mesure du montage et du câblage.

b Vérification du circuit de puissance Cette vérification, qui se fait équipement hors tension, permet de s’assurer

que le câblage puissance est conforme au schéma.

Dans la majorité des cas, l’opérateur ne disposant pas des moteurs, elle

est effectué à l’aide d’une lampe-test.

b Vérification du circuit de commande v Contrôle fil à fil Cette vérification, qui se fait généralement équipement sous tension, a pour

but de s’assurer que le câblage du circuit de commande est conforme au

schéma. Elle permet également de contrôler le bon fonctionnement des

appareils.

Afin de procéder aux essais en toute sécurité, il est indispensable de

séparer totalement, pendant toute la durée de ces essais, le circuit de

puissance du circuit de commande. D’autre part, il est recommandé

d’isoler les ensembles électroniques tels que les variateurs de vitesse et

les automates programmables, de façon à éviter l’injection de tensions

pouvant entraîner des destructions partielles ou totales.

La vérification du câblage s’effectue “ligne par ligne”. L’action de chaque

contact doit être contrôlée, y compris celle des contacts extérieurs par

court-circuitage des bornes correspondantes.

Les continuités des masses doivent être vérifiées.

Dans le cas d’équipements de petites dimensions, le contrôle fil à fil peut

se faire hors tension, à l’aide d’une lampe-test ou d’un ohmmètre.

v Essai d’ensemble L’essai d’ensemble consiste à simuler toutes les phases de fonctionnement

de la machine ou du processus, dans l’ordre où elles doivent se réaliser,

et à contrôler les asservissements et les sécurités.

Il y a lieu de prévoir une alimentation de puissance suffisante et de réaliser

les interconnexions et les raccordements sur des platines d’essais qui

remplacent les auxiliaires de contrôle extérieurs par des interrupteurs, des

boutons-poussoirs, etc.

Le but de l’essai d’ensemble est de s’assurer que le fonctionnement de

l’équipement est celui décrit dans le cahier des charges.

Il permet également de vérifier les incidences d’une fausse manœuvre

dans la conduite de la machine ou du processus, de la détérioration d’un

élément de contrôle extérieur (interrupteur de position, détecteu, etc).

Les programmes sont chargés dans les automates et essayés de la manière

la plus complète possible en simulant les entrées tout où rien par des

contacts et les entrées analogiques par des signaux. Cette simulation

permet de corriger les éventuelles erreurs de programmation et permettant

de réduire fortement les temps de mis en service.

Pour les équipements avec variateurs de vitesse électroniques, la simulation

doit être complétée par un essai dynamique avec les moteurs de

l’installation ou, à défaut, avec un moteur d’essai de préférence avec des

caractéristiques comparables.

276

11. Mise en œuvre

11.10 Essais en plate-forme 11.11 Mise en service d’un équipement

Il est conseillé de rédiger un procès verbal ou rapport d’essai faisant état de réglages effectués (valeurs), des modifications effectuées (programmes et matériel) et d’identifier précisément les éléments qui n’ont pu être essayés ou qui ne l’ont été que partiellement. Ce document facilitera le travail lors de la mise en service. Les schémas, listing et nomenclatures seront modifiées pour refléter exactement l’équipement qui sera mis en service Avant expédition, les armoires et coffrets sont dé-câblés. Si nécessaire, des cales seront disposées sous les éléments lourds pour annuler tout risque de déformation des charpentes ou armoires durant le transport. Le bas des armoires sera soigneusement nettoyées pour éviter qu’un corps étranger (rondelle, fil, etc.) ne vienne se loger dans l’appareillage.

11.11 Mise en service d’un équipement Tous les appareils qui sortent d’usine sont vérifiés par des spécialistes avant l’expédition, réglés ou étalonnés avec la plus grande précision. Les modifications de réglage sont à éviter, sauf pour les relais de protection et les contacts auxiliaires temporisés dont le réglage peut être affiné sur site selon les conditions de fonctionnement. Comme pour les essais en plate-forme, la mise en œuvre d’un équipement sur site comporte des travaux effectués sous tension. Les mêmes règles doivent donc être appliquées : intervention d’un personnel qualifié et habilité, respect de la réglementation sur la sécurité.

b Installation v Lors de la réception de l’équipement Il faut vérifier : - l’absence de chocs sur les enveloppes, - que la partie mobile des contacteurs à rotation n’a pas été faussée ou déplacée, - qu’un corps étranger ne s’est pas introduit dans l’entrefer du circuit magnétique ou entre les contacts ou entre le bornes, - que la partie mobile des contacteurs et des sectionneurs, ainsi que les dispositifs de déclenchement des relais de protection, fonctionnent librement, - l’efficacité des dispositifs de fermeture (coffrets, armoires), - l’étanchéité des joints (pour le matériel étanche), - le bon état des auxiliaires de commande, de signalisation ainsi que des appareils de mesure placés sur les portes, - la présence des schémas mis à jour, des instructions de mise en service, des notices des appareils et le cas échéant du procès verbal d’essais plate-forme. Avant le raccordement des conducteurs extérieurs : - vérifier la tension et la fréquence du ou des réseaux d’alimentation des circuits de puissance et de commande, - vérifier que le type et le calibre des fusibles et des relais de protection sont bien adaptés aux récepteurs à protéger.

v Fixation et raccordement de l’équipement - Déterminer la section des câbles de raccordement en fonction du courant absorbé par les machines commandées. Afin de limiter les chutes de tension, augmenter la section des fils et câbles alimentant les circuits de commande et de puissance lorsque la longueur de la ligne est importante ou lorsque la commande s’effectue en très basse tension. - Sur des ensembles munis de presse-étoupe, la gaine des conducteurs devra être engagée dans la bague de caoutchouc du presse-étoupe. Le serrage de celui-ci doit immobiliser complètement le câble.

277

11

11. Mise en œuvre

11.11 Mise en service d’un équipement

- Effectuer les raccordements extérieurs en suivant scrupuleusement le schéma. - Ne pas omettre de respecter les règles d’installation en vigueur. A cet effet, une borne repérée est prévue sur les coffrets, les armoires et les auxiliaires de commande pour le raccordement des masses au conducteur extérieur de protection. - Il est conseillé, sur les appareils utilisés dans des ambiances particulièrement corrosives ou tropicales, de passer une couche de vernis isolant sur les bornes après raccordement.

v Réglage des relais thermiques de protection Les graduations du cadran en ampères correspondent au courant absorbé par le moteur. Le réglage est obtenu en affichant, en regard de l’index, la valeur gravée sur le cadran qui correspond au courant absorbé (lire sur la plaque signalétique du moteur le courant de pleine charge correspondant à la tension du réseau). Dans le cas d’un démarreur étoile-triangle, lorsque le relais est raccordé directement en série avec les enroulements du moteur, la valeur de réglage doit correspondre à I / 3, I étant le courant absorbé par le moteur. Les relais de protection thermiques étant compensés, aucune correction de réglage n’est à apporter en fonction de la température ambiante, dans les limites indiquées sur les fiches techniques. Habituellement ces réglages sont effectués en plate-forme et se trouvent consigné dans le rapport d’essais. Le raccordement de la ligne d’alimentation ainsi que celui de tous les circuits extérieurs de puissance et de commande étant exécutés, il est possible de procéder aux essais d’ensemble de l’équipement. Ces essais s’effectuent en deux temps :

b Essai à vide Son but est de vérifier que tous les raccordements (auxiliaires de commande et de signalisation, capteurs, interrupteurs de sécurité, etc) ont été correctement effectués et sont conformes au schéma. Pour réaliser cet essai, il est nécessaire d’interdire l’alimentation de tous les récepteurs : - soit en enlevant de leur socle les cartouches fusibles protégeant le circuit puissance, - soit en n’alimentant que la partie contrôle en laissant la partie puissance hors tension. Le circuit de commande ainsi alimenté, une action sur l’auxiliaire de commande de démarrage doit entraîner la fermeture du ou des contacteurs asservis, ainsi que, sur les équipements plus complexes, le démarrage du cycle automatique. A ce stade, il est conseillé de manœuvrer manuellement les appareils extérieurs, (en particulier les sécurités) ou de simuler leur fonctionnement, puis de provoquer sciemment et systématiquement toutes les anomalies de commande et de fonctionnement afin de vérifier l’efficacité des circuits de commande, d’asservissement, de sécurité et de signalisation.

b Essai en charge Alimenter à présent le circuit puissance pour effectuer un essai d’ensemble en charge afin de contrôler l’exactitude du raccordement et le fonctionnement des divers récepteurs. Cet essai peut être complété par une série de tests pour vérifier que l’équipement automatique assure bien le déroulement des différentes fonctions mécaniques de l’installation. Le savoir faire du metteur en service, complété par les éléments du dossier de l’équipement (listings d’automatismes, notice de mise en service, notice des appareils, etc.) permet de mener à bien la mise en service.

278

11. Mise en œuvre

11.11 Mise en service d’un équipement 11.12 Maintenance de l’équipement

b Dépannage Etant donné la variété des équipements d’automatisme, il n’est pas possible de définir une procédure de dépannage commune à tous les schémas. L’expérience, la connaissance de l’équipement et des fonctions à réaliser est indispensable pour mener à bien un dépannage efficace. La connaissance des AMDEC réalisées lors de la conception est susceptible d’aider à la recherche des pannes.

11.12 Maintenance de l’équipement Lors de la conception de l’équipement, les AMDEC auront permis de définir les entretiens et leur périodicité : - changement des ballais des moteurs à collecteur, - nettoyage des filtres, - remplacement des pièces d’usure, - alimentation des consommables, - etc. Les appareils électroniques et électromagnétiques ne nécessitent pratiquement aucun entretien. Néanmoins, nous tenons à préciser quelques points importants.

v L’électro-aimant du contacteur Si le circuit magnétique est bruyant, s’assurer : - de la tension du réseau d’alimentation. Un électroaimant vibre lorsqu’il est alimenté sous une tension alternative inférieure à celle pour laquelle il a été prévu, - qu’aucun corps étranger ne s’est introduit entre les parties fixe et

mobile du circuit magnétique,

- de la propreté des surfaces rectifiées. Celles-ci ne doivent jamais être peintes, grattées ou limées. Si elles sont particulièrement sales, les nettoyer à l’essence ou un produit de dégraissage approprié.

v La bobine du contacteur Si l’échange d’une bobine est nécessaire (en cas de changement de tension du circuit de commande par exemple), la nouvelle bobine doit être définie en fonction de la tension réelle d’alimentation du circuit de commande. Elle permet alors : - la fermeture du contacteur lorsque la tension atteint 85 % de sa valeur nominale, - l’ouverture du contacteur lorsque la tension devient inférieure à 65 % de sa valeur nominale, - de supporter en permanence une tension correspondant à 110 % de la valeur nominale. La détérioration d’une bobine peut être provoquée par : - la fermeture incomplète du circuit magnétique, par suite d’un incident mécanique ou d’une tension du circuit de commande inférieure à 85 % de la valeur nominale. Ceci, entraîne, en courant alternatif, la diminution de la réluctance du circuit magnétique, et en continu, l’inefficacité du système de réduction de consommation dont le contact ne s’est pas ouvert. Il en résulte également une pression insuffisante sur les pôles qui s’échauffent anormalement, et qui peuvent souder si le courant traversant est celui absorbé par un moteur en cours de démarrage, - un circuit de commande mal adapté, - une tension d’alimentation supérieure à 110 % de la valeur nominale. Dans tous les cas, la bobine est détériorée car l’énergie dissipée par effet Joule est supérieure à la normale. Afin d’éviter de tels incidents, il faut employer des bobines adaptées à la tension mesurée aux bornes d’alimentation des équipements. 279

11

11. Mise en œuvre

11.12 Maintenance de l’équipement

v Les pôles du contacteur La connaissance de la puissance contrôlée et de la catégorie d’emploi (par exemple coupure de moteurs à cage lancés) permet de déterminer la durabilité électrique des contacts d’un contacteur donné ou de le choisir en fonction du nombre de manœuvres escompté.

v Contacteur bloc Les pôles d’un contacteur bloc ne nécessitent aucun entretien.

Par exemple, en catégorie AC-3, un contacteur alimentant le moteur d’un

compresseur démarrant 6 fois dans l’heure et fonctionnant 24 heures par

jour aura une durée de vie de : 2 500 000 = 17 360 jours soit environ

50 ans sans entretien.

Des contacts ayant effectués de nombreuses coupures peuvent donner

une impression d’usure.

Seule, la vérification périodique de la cote d’écrasement ou la surveillance,

sur certains calibres, du témoin d’usure général permettent d’évaluer le

degré d’usure.

Durant la période d’utilisation, ne jamais procéder à des réglages de la

cote d’écrasement. Lorsque celle-ci est comprise entre 20 et 50 % de la

cote initiale, il faut changer les contacts.

A la suite de cette opération :

- il est nécessaire d’aligner les contacts en respectant la cote initiale d’écrasement, - il est conseillé de nettoyer latéralement par grattage les boîtiers de soufflage, - il est indispensable de vérifier le couple de serrage des vis.

v Les contacts auxiliaires du contacteur Aucun entretien, aucun réglage, sauf la durée de la temporisation sur les contacts auxiliaires temporisés.

v Les relais thermiques Aucun entretien. La seule intervention éventuelle ne concerne que le réglage de la valeur du courant de déclenchement qui doit être fonction du courant absorbé par le récepteur.

v Les enveloppes Graisser périodiquement les charnières et le dispositif de fermeture.

Sur les coffrets et armoires étanches, vérifier l’efficacité des dispositifs

d’étanchéité (joints, presse-étoupe, boîte à câbles).

Utiliser un aspirateur pour nettoyer les filtres, proscrire l’air comprimé.

v Radiateurs des appareils électroniques Les appareils mettant en œuvre des composants électroniques de puissance sont munis de radiateurs, très souvent munis d’une ventilation forcée. En fonction de l’environnement de l’appareillage et des poussières contenus dans l’atmosphère, nettoyer périodiquement les ailettes pour éviter leur colmatage.

b Règles de maintenance essentielles Pour éliminer les accidents, les arrêts de fonctionnements et faciliter le suivi de la machine, les négligences suivantes doivent être impérativement évitées : - laisser une armoire ou un coffret ouverts sans nécessité, surtout en atmosphère poussiéreuse, - limer ou graisser les contacts, - utiliser des solvants, - modifier une pièce ou la remplacer par une pièce de rechange mal adaptée,

280

11. Mise en œuvre

11.12 Maintenance de l’équipement

- réarmer un relais de protection sans avoir recherché et supprimé la cause du déclenchement, - remplacer un fusible et remettre l’équipement sous tension sans avoir remédié au défaut, - omettre de tenir à jour la documentation même en cas de changement minime de l’équipement ou de la programmation.

11

281

12 282

chapitre Eco-conception Le respect de l'environnement doit prendre en compte le choix des matériaux lors de la conception, la consommation d'énergie sur la durée de vie du produit et la capacité à recycler ses composants en fin de vie

12. Eco-Conception

Sommaire

1 2 12.1

Avant-propos

Page

12.2

Les concepts et les principales directives

Page

12.3

Les normes

Page

12.4

L’éco-conception

Page

12.5

Le cycle de vie

Page

12.6

Principales règles d’éco-conception

Page

12.7

Conclusion

Page

3 4 5 6 7

12.8

Applications

Page

8 9 10 11 12 M 283

12. Eco-Conception

12.1

12.1

Avant-propos

Avant-propos “L’expression abrégée “éco-conception” désigne la prise en compte de l’environnement dans la conception des produits (biens et services). Il s’agit d’introduire le paramètre environnemental au sein du jeu des paramètres classiques de conception (attente des clients, maîtrise des coûts, faisabilité technique, etc.) (C Fig.1). Cette démarche intéresse divers types d’acteurs économiques : fournisseurs, producteurs, distributeurs, consommateurs et acheteurs publics et privés, désireux de proposer ou de choisir, à service rendu égal, des produits plus respectueux de l’environnement. Parce qu’elle se situe en amont des décisions, l’éco-conception est une démarche préventive. L’éco-conception se caractérise par une vision globale : c’est une approche multicritère de l’environnement (eau, air, sol, bruit, déchets, énergie, matières premières, etc.) qui prend en compte l’ensemble des étapes du cycle de vie d’un produit : extraction des matières premières, production, distribution, utilisation, puis traitement en fin de vie.

A Fig. 1

Paramètres de conception

Cette double caractéristique de l’éco-conception (multicritère, multi-étape)

constitue en quelque sorte sa signature.

Selon leur degré de prise en compte des impacts environnementaux sur

tout le cycle de vie, les méthodes d’investigation peuvent être qualifiées

d’approfondies ou de simplifiées”.

Extrait de la définition de l’éco-conception par l’Ademe (Agence de

l’environnement et de la maîtrise de l’énergie).

Dans ce guide, nous proposons une méthodologie générale d’éco-conception,

utilisable pour tout nouveau développement de produits/services, ainsi

que pour toute évolution de produits existants.

b Introduction Schneider Electric a la volonté d’agir en entreprise responsable à l’égard de l’environnement. Au niveau des produits/services, cela se traduit nécessairement par la prise en compte de l’éco-conception lors de tout nouveau développement comme à chaque évolution de l’existant, afin de réduire les impacts environnementaux de nos produits tout au long de leur cycle de vie. Pour atteindre ce but, il nous est apparu nécessaire dans ce guide de : - rappeler la politique environnementale de Schneider Electric, dont le but principal est de promouvoir le respect de toutes les ressources naturelles, et d’améliorer de façon dynamique et continue les conditions d’un environnement propre pour la satisfaction de tous ; - donner un aperçu rapide des principales réglementations européennes auxquelles nous serons très rapidement confrontés, afin de mieux pouvoir les anticiper ; - apporter au concepteur une méthodologie pour l’aider dans sa

démarche d’éco-conception de produits/services ;

- donner un aperçu des moyens informatiques disponibles chez Schneider Electric (logiciel EIME) afin d’aider les concepteurs dans leur démarche d’éco-conception.

b La politique environnementale de Schneider Electric Pour Schneider Electric, le fait d’agir en entreprise responsable à l’égard de l’environnement et plus largement de la société, contribue à la performance en favorisant la pertinence des décisions à long terme, ainsi que l’adhésion de l’ensemble des partenaires du groupe : collaborateurs, clients, fournisseurs, actionnaires.

284

12. Eco-Conception

12.1 12.2

Avant-propos Les concepts et les principales directives

Ainsi Schneider Electric a la volonté de se positionner, dans tous les pays où elle est implantée, comme une “entreprise citoyenne”, ce qui implique, entre autre, le respect d’une politique environnementale dynamique et ambitieuse, dont les éléments fondamentaux sont les suivants : • Intégrer la protection de l’environnement dans le management - En prenant les dispositions nécessaires pour que le respect de l’environnement soit, au sein de Schneider Electric, une part intégrante de notre culture commune et une démarche naturelle dans la conduite de tous nos travaux et de notre métier. - En assurant la promotion de la protection de l’environnement au sein de Schneider Electric, par une sensibilisation, une formation et une communication conformes à notre politique environnementale. - En fournissant une information appropriée à nos clients, à nos

fournisseurs et à nos partenaires.

• Garantir un développement industriel durable dans le respect de l’environnement - En réduisant, par une démarche dynamique et continue, l’impact de nos produits/services sur l’environnement, tout au long de leur cycle de vie. - En développant de nouveaux produits/services et procédés de fabrication plus respectueux de l’environnement, en accordant une attention particulière à l’anticipation. - En utilisant de nouvelles techniques permettant de mieux préserver les ressources naturelles et de mieux maîtriser la consommation électrique de nos produits. - En prenant en compte la recyclabilité de nos produits dès leur conception. - En se conformant aux directives en vigueur, voire en anticipant leur parution. • Obtenir la certification ISO 14001 sur l’ensemble de nos sites - En s’appuyant sur un système de management environnemental basé sur la norme internationale ISO 14001. - En construisant et en maintenant nos sites dignes de l’image locale de Schneider Electric, en se conformant aux règlements en vigueur et en allant même au-delà si c’est pertinent. En éliminant ou réduisant les déchets et en améliorant leur valorisation. - En améliorant de manière continue les procédés de fabrication actuels pour optimiser leur impact sur l’environnement.

12.2

Les concepts et les principales directives b Les principaux concepts v Le concept du “Développement durable” (Sustainable development) constitue depuis 1987 une référence indiscutable en matière de respect de l’environnement. Il peut s’énoncer de la manière suivante : - développement qui permet de répondre aux besoins du présent, sans compromettre la capacité des générations futures à répondre à leur propre besoin.

v Le 6ème Programme d’action pour l’environnement de l’Union européenne (programme établi pour les dix ans à venir), élaboré en faveur de l’instauration du développement durable, a pour principes fondateurs : le principe de précaution, le principe de pallier la pollution à la source et de donner priorité aux mesures préventives, et le principe du pollueur-payeur (Traité d’Amsterdam).

285

12

12. Eco-Conception

12.2 12.3

Les concepts et les principales directives Les normes

v Le concept de l’IPP (Integrated Product Policy), priorité de ce 6ème Programme d’action, a pour objectif principal : - en relation avec le concept du “développement durable”, de stimuler l’offre (éco-conception, information sur le cycle de vie) et la demande (sensibilisation, communication, “verdissement” des achats publics) de produits et de services plus respectueux de l’environnement.

b Les principales directives Les principales directives s’appuyant sur ces concepts, et en cours de discussion au niveau européen, sont les suivantes :

v La directive EUP (Energy Using Product) s’appuyant sur le concept de l’IPP, elle a pour but d’harmoniser les exigences de conception des équipements électriques et électroniques afin de garantir leur libre circulation et de minimiser leur impact sur l’environnement tout au long de leur cycle de vie, d’améliorer l’efficacité de l’utilisation des ressources et d’assurer un niveau élevé de protection de l’environnement, compatible avec le développement durable. v La directive WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipmenty) - elle a pour but de réduire les déchets générés par les équipements électriques et électroniques et, pour cette raison, engage la responsabilité du producteur dans la récupération et la valorisation (70 à 80 % en poids) des équipements en fin de vie.

v La directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) - elle a pour but de limiter l’utilisation de certaines substances considérées comme dangereuses pour l’environnement et surtout pour la santé. Ce sont les métaux lourds : plomb (Pb), mercure (Hg), cadmium (Cd), chrome héxavalent (Cr6) et les retardateurs de flamme bromés polybromodiphényles (PBB) et polybromodiphénylethers (PBDE). Un certain nombre d’autres substances non concernées par cette directive sont également à éviter dans les produits. Le PVC, quant à lui, reste en ligne de mire des instances communautaires et fait déjà l’objet de réglementations locales au niveau de son utilisation et de son recyclage.

12.3

Les normes Un certain nombre de normes visant à réglementer la prise en compte de l’environnement dans la conception des produits viennent s’ajouter à ces directives européennes. On peut citer :

b Les normes ISO, NF, EN - ISO 140xx : série de normes sur le management environnemental. - ISO TC 61 : matières plastiques – aspects liés à l’environnement. - Guide ISO 64 : inclusion des aspects environnementaux dans les

normes produits.

- NF FD X30 310 : prise en compte de l’environnement dans la

conception des produits.

- EN 13428 à 13432 : emballages – aspects liés à l’environnement. Cette liste non exhaustive donne un aperçu des réglementations liées à la prise en compte de l’environnement dans la conception des produits. Elles viennent donc s’ajouter aux normes et directives habituellement prises en compte par les concepteurs, telles que : - DBT : Directive basse tension. - IEC 60 947- 2 : norme appareillage basse tension – disjoncteurs. - IEC 60 947- 4 - 1 : norme contacteurs et démarreurs. A l’ensemble de ces normes et directives peuvent venir s’ajouter un certain nombre de décrets nationaux (piles, emballages, etc.).

286

12. Eco-Conception

12.3 12.4 12.5

Les normes L’éco-conception Le cycle de vie

La volonté de Schneider Electric d’agir en entreprise responsable à l’égard de l’environnement, en développant de nouveaux produits/services et procédés de fabrication plus respectueux de l'environnement, dans le respect de ces directives, normes, décrets, mais aussi en anticipant leur parution, peut alors s’exprimer au travers de la mise en place de l’éco­ conception.

12.4

L’éco-conception L’éco-conception, composante importante du développement durable, est, comme on l’a vu en avant-propos, une démarche pro-active tournée vers le client qui peut être définie de la manière suivante : - conception de produits/services satisfaisant au mieux les besoins des clients, et dont l’impact environnemental est moindre sur l’ensemble de leur cycle de vie. C’est une démarche de progrès dynamique et continue qui peut permettre, grâce à une prise en compte commune (technique, marketing, formation, etc.) en amont, de transformer une contrainte en opportunité. C’est bien entendu cette stratégie que nous devons chercher à suivre. Cette démarche, qui doit être appliquée aussi bien pour la conception de produits nouveaux que pour l’évolution de produits existants, implique pour le concepteur la prise en compte, lors de sa recherche de solutions, d’un critère supplémentaire : - l’impact environnemental minimum de la solution tout au long du cycle de vie (C Fig.2).

A Fig. 2

12.5

Equilibre entre les critères de conception

Conformément à la directive EUP, le choix de la solution “optimale” répondant à un besoin client devra alors correspondre à un équilibre raisonnable entre les différents critères de conception : - performance, coût, qualité, environnement, industrialisation, etc., tout en respectant les aspects de sécurité et de santé.

Le cycle de vie L’éco-conception, comme on vient de le voir, a pour objectif de concevoir des produits/services dont l’impact environnemental est moindre sur l’ensemble de leur cycle de vie. Comment peut-on alors définir ce cycle de vie ? Le cycle de vie d’un produit s’entend “du berceau à la tombe”, c’est-à­ dire depuis l’extraction de la matière première jusqu’à la mise en décharge finale, en passant par toutes les phases de fabrication/montage, distribution, utilisation, valorisation de fin de vie. Chaque phase du cycle de vie d’un produit a bien entendu un impact sur l’environnement, impact que l’on doit chercher à minimiser. C’est le but de l’éco-conception, qui doit alors considérer simultanément l’ensemble des différentes phases du cycle de vie du produit, en prenant garde à ce que l’amélioration du comportement écologique d’une des phases ne se fasse pas au détriment de celui des autres phases. Une analyse complète et détaillée de ce cycle de vie (ACV) est alors nécessaire pour pouvoir effectuer un choix. On s’appuiera pour cela sur le logiciel EIME. La phase de valorisation de fin de vie peut entraîner des contraintes importantes et doit donc être prise en compte dès la conception du produit. Cette valorisation, qui doit selon la réglementation représenter entre 70 % et 80 % du produit (en poids), peut prendre les différentes formes suivantes : - réparation/remise à niveau du produit ; - réutilisation de pièces/sous-ensembles ; - recyclage matériaux ; - valorisation énergétique.

A Fig. 3

Cycle de vie d'un produit

En résumé, le cycle de vie d’un produit est être schématisé sur la figure 3. 287

12

12. Eco-Conception

12.6

12.6

Principales règles d’éco-conception

Principales règles d’éco-conception Dans le cadre du respect du concept du “développement durable” et des diverses réglementations qui en sont issues, nous pouvons définir quelques règles générales qui permettront de guider le concepteur lors de toute étude d’éco-conception : - Préservation et usage efficace des ressources naturelles. - Minimisation des émissions (effet de serre, bruit, etc.). - Minimisation des déchets (fabrication, fin de vie). - Suppression ou minimisation de l’utilisation des substances dangereuses. - Réduction de la consommation d’énergie. Cependant, comme on l’a vu précédemment, ces règles générales dont le but est l’obtention de produits plus respectueux de l’environnement, ne doivent pas venir se substituer aux règles habituelles de conception, mais au contraire s’y ajouter afin d’optimiser la réponse à un besoin client selon l’ensemble des critères : - performance, coût, qualité, environnement, industrialisation, etc. De plus, préalablement à toute étude, une étape essentielle consiste en une recherche d’optimisation de la fonction que l’on doit assurer. Pour cela, on est alors amené à se poser les questions suivantes : - Comment répondre au mieux au besoin du client : produit/service ? - Peut-on accompagner l’offre produit par une offre de service respectueux de l’environnement ? - Peut-on passer d’une offre produits à une offre services ? - Peut-on mettre en place de nouveaux concepts ? - Certains sous-ensembles peuvent-ils être communs à plusieurs produits ou gammes de produits ? - Doit-on intégrer de nouvelles fonctions ? - Peut-on utiliser des matériaux actifs ? Une fois l’étape d’optimisation de la fonction franchie, il convient de s’intéresser de plus près aux différentes phases du cycle de vie d’un produit (choix des matériaux, production, distribution, utilisation, fin de vie) pour lesquelles une déclinaison des règles de base peut s’avérer nécessaire.

b Le choix des matériaux Par le choix des matériaux, le concepteur peut influencer l’impact du produit sur l’environnement. Aussi, conformément aux règles générales d’éco-conception définies plus haut, ce choix devra-t-il prendre en compte un certain nombre de critères basés essentiellement sur la réduction de consommation de matière première et sur la diminution de l’impact environnemental des matériaux. • Réduction de la masse et du volume de matière utilisée - optimisation du volume et de la masse des pièces et des produits, - réduction du nombre de pièces. • Choix de matériaux pas ou peu toxiques - en phase d’extraction, de production, d’utilisation, d’élimination (fin de vie). • Choix de matériaux produits à partir de ressources renouvelables - afin de ne pas épuiser les ressources naturelles non renouvelables. • Choix de matériaux peu consommateurs d’énergie - en phase d’extraction de la matière première, d’élaboration du

matériau, voire d’utilisation.

• Utilisation de matériaux recyclés - l’impact environnemental est alors celui du recyclage et non plus celui de l’élaboration. • Utilisation de matériaux recyclables - dans l’optique de la valorisation fin de vie du produit.

288

12. Eco-Conception

12.6

Principales règles d’éco-conception

Bien entendu, tout en respectant au mieux ces critères environnementaux, les matériaux choisis devront répondre aux exigences habituelles du produit du point de vue mécanique, électrique, coût, fabrication (moulage, découpe, etc.).

b La production L’étape de production est une phase importante du cycle de vie à ne pas négliger lors d’une démarche d’éco-conception. En effet, les choix de conception peuvent avoir un impact important sur les process industriels donc sur les impacts environnementaux liés à cette phase. Un certain nombre de critères d’optimisation de la production doivent donc être pris en compte dès la conception. • Réduction des rejets vers l’environnement (eau, sol, air) - choix de techniques de production minimisant les rejets vers

l’environnement.

Exemple : éviter si possible les traitements de surface • Minimisation de la consommation d’énergie à toutes les étapes de la production - choix de techniques de fabrication, de montage, d’assemblage peu consommatrices d’énergie, - réduction du volume de déchets (usinage, découpe, moulage, etc.). Exemple : - conception de pièces minimisant les chutes de matières, - réutilisation des carottes de moulage, - réduction des rebuts. • Réduction du nombre d’étapes de production Exemple : - minimisation du nombre de pièces différentes • Minimisation des transports entre les différentes étapes - minimisation du volume des transports inter–usines (pièces, sous­ ensembles),

- minimisation de la consommation d’énergie liée aux transports. • Utilisation de nouvelles techniques de production - nouvelles techniques dont l’impact environnemental est réduit par

rapport aux techniques classiques - techniques de type BAT (Best

Available Technique).

b La distribution La distribution des produits est, elle aussi, une phase du cycle de vie qui peut engendrer un impact environnemental important. C’est pourquoi la prise en compte notamment des aspects d’optimisation des emballages et du système de distribution lui-même, dès la conception du produit, est nécessaire. A cet effet, et conformément aux normes (EN 13428 à 13432) et au décret paru au JO du 25/07/98, on se basera sur les critères suivants : • Diminution de la masse et du volume des emballages - réduction du volume et de la masse des produits. • Optimisation de la fonction emballage. Réduction du nombre d’emballages - emballages communs à plusieurs produits. • Choix d’emballages plus propres - teneur minimale en métaux lourds (plomb cadmium, mercure, etc.). • Conception d’emballages réutilisables/valorisables - valorisation de 50 à 65 % en poids, - éviter les emballages hétérogènes (carton, mousse, etc.). • Optimisation/minimisation des transports - minimisation des masses et volumes à transporter. • Choix de transports moins consommateurs d’énergie 289

12

12. Eco-Conception

12.6

Principales règles d’éco-conception

Comme toujours, le respect de ces différents critères ne devra pas se faire au détriment des fonctionnalités de base de l’emballage telles que protection et sécurité.

b L’utilisation La phase d’utilisation de nos produits est une phase du cycle de vie dont l’impact environnemental peut s’avérer important, notamment du fait de leur consommation électrique. Là encore, la prise en compte d’un certain nombre de critères peut avoir un rôle déterminant : • Minimisation de la consommation d’énergie en phase d’utilisation du produit - consommation dans les contacts électriques (résistance de contact, soudures, etc.), dans les bilames, - consommation des organes de commande (électroaimants, etc.), - puissance dissipée dans les composants électroniques, etc.). • Minimisation des fuites et rejets vers l’environnement - réduction du bruit, - minimisation des fuites (SF6 par exemple). • Accroissement de la durabilité des produits • Maintenance et réparations facilitées - amélioration de la fiabilité des produits, - liaison client (pré-alarme, etc.), - modularité des produits. Un autre point important en phase d’utilisation d’un produit est l’emploi de sources d’énergies propres et renouvelables, mais l’impact du concepteur sur ce point ne semble pas décisif.

b La fin de vie Comme on l’a déjà dit, la valorisation en fin de vie d’un produit doit représenter une part importante du produit (70 à 80 % en poids ) et est à la charge du producteur de ce produit. Aussi, afin d’espérer pouvoir respecter ces critères environnementaux à un coût minimum, est-il nécessaire de concevoir le produit avec pour optique de faciliter cette phase. Pour cela, un certain nombre de critères devront, là encore, être pris en compte : • Désassemblage facile du produit - éviter l’emploi de systèmes d’assemblage non démontables, - modularité du produit. • Réutilisation de sous-ensembles/composants - favoriser la modularité du produit. • Réparation/remise à neuf du produit (2ème main) • Recyclage des matériaux - marquage des pièces plastiques (voir directive technique FT 20 050), - minimisation du nombre de matériaux différents. • Choix de matériaux non toxiques incinération • Démontage aisé des composants toxiques et/ou à traitement spécifique - permettre une accessibilité et un démontage rapide des piles, relais mercure, cartes électroniques, écran LCD, etc. • Mise en sécurité aisée du produit (ressorts sous tension, etc.) • Notice de fin de vie accompagnant le produit Ces quelques critères de conception définis à chaque phase du cycle de vie d’un produit, ainsi que les quelques exemples d’applications qui en découlent, n’ont pas la prétention de résoudre l’ensemble des cas d’éco­ conception. Leur but principal est simplement d’alimenter la réflexion du concepteur.

290

12. Eco-Conception

12.6 12.7 12.8

Principales règles d’éco-conception Conclusion Applications

De plus, le découpage en fonction de chacune des principales phases du cycle de vie du produit (choix des matériaux, production, distribution, utilisation, fin de vie) ne doit pas faire oublier que le but final est de minimiser l’impact global du produit tout au long de son cycle de vie. Il est donc essentiel, comme on l’a déjà dit, que l’amélioration du comportement environnemental d’une des phases du cycle de vie ne se fasse pas au détriment de celui des autres phases. Pour atteindre ce but, une analyse détaillée du cycle de vie (ACV) est alors nécessaire. On utilisera pour cela le logiciel EIME (C paragraphe 12.8).

12.7

Conclusion La volonté de Schneider Electric passe par la prise en compte d’une démarche d’éco-conception qui consiste à : - promouvoir le respect de toutes les ressources naturelles ; - améliorer de façon dynamique et continue les conditions d’un environnement propre pour la satisfaction de ses clients, des utilisateurs de ses produits, de son personnel et des communautés dans lesquelles est implantée la société. Cette démarche de progrès dynamique et continu peut contribuer à la performance de l’entreprise et apparaît donc comme une opportunité à saisir. Ainsi, l’éco-conception dont l’objectif est de concevoir des produits/services satisfaisant au mieux les besoins des clients, et dont l’impact environnemental est moindre sur l’ensemble de leur cycle de vie, sera alors notre démarche commune pour tout nouveau développement de produits/services, ainsi que pour toute évolution de produits existants.

12.8

Applications b Le logiciel EIME Le logiciel EIME (Environmental Information and Management Explorer) est un outil d’aide à la conception de produits respectueux de l’environnement, géré en copropriété par Alcatel, Alstom, Legrand, Schneider Electric, Thomson Multimedia. Il permet d’évaluer l’impact environnemental d’un produit tout au long de son cycle de vie et guide les concepteurs dans leurs choix de matériaux et de design. Il est aisément accessible de n’importe quel site dans le monde ; sa base de données (matériaux, procédés, etc) est ainsi commune à l’ensemble des concepteurs mondiaux de Schneider Electric. Les principales caractéristiques de ce logiciel sont les suivantes : - Aide au choix des matériaux et des procédés. - Information sur la conformité à la réglementation. - Evaluation de l’impact environnemental (ACV). - Aide à l’identification des points faibles. - Comparaison de deux options de conception. Le profil environnemental du produit issu de EIME est une base essentielle pour la communication environnementale produit destinée aux clients.

b La gamme Altivar 71, un exemple d’éco-conception Profil Environnement Produit (PEP) La gamme Altivar 71 (C Fig.4) a pour fonction principale la commande et la variation de la vitesse de rotation d’un moteur électrique asynchrone. A Fig. 4

4 ATV71 - e produit a reçu le 2ème prix “Eco-produit pour le développement durable”

Cette gamme est composée de produits de 0.37 à 18 kW fonctionnant à des tensions de 200 et 500 V monophasées ou triphasées.

291

12

12. Eco-Conception

12.8

Applications

Le produit utilisé pour réaliser l’étude est l’Altivar 71 complet de calibre 0.75 kW 500 V (réf ATV71 H075N4). Il est représentatif de l’ensemble de la gamme. Les autres produits de la gamme sont réalisés avec la même technologie et sur le même processus de fabrication. L’analyse environnementale a été réalisée en conformité avec la norme ISO 14040 “Management environnemental : analyse du cycle de vie, principe et cadre”. Elle prend en compte les étapes du cycle de vie du produit.

v Matériaux constitutifs La masse des produits de la gamme s’échelonne de 2 680 g à 9 000 g. Elle est de 2 680 g hors emballage pour l’Altivar 71 - 0.75 kW 500 V analysé. Les matières constitutives sont réparties comme indiqué sur la figure 5 :

A Fig. 5

Matières constitutives de l'ATV71 (*) La catégorie “Autres” comprend tous les éléments présents à moins de 1% tels les gaines thermorétractables, l’élastomère EPDM, etc

Toutes les dispositions utiles sont prises auprès de nos services, fournisseurs et sous-traitants pour que les matériaux entrant dans la composition des produits de la gamme Altivar 71 - 0.37 à 18 kW ne contiennent pas de substances interdites par la réglementation en vigueur (liste disponible sur demande) lors de sa mise sur le marché. Par conception, cette gamme ne comporte ni piles, ni accumulateurs. Le site de conception de cette gamme de produits est certifié ISO 14001 pour son processus d’éco-conception.

v Fabrication Cette gamme est fabriquée dans un site de production Schneider Electric qui a mis en place un système de management environnemental certifié ISO 14001. L'amélioration constante des process permet de diminuer en moyenne de 5 % la consommation énergetique annuelle du site. Un tri complet des déchets permet d’atteindre un taux de valorisation de 99 %.

v Distribution Les emballages ont été conçus en vue de réduire leur poids et leur volume, en respectant la directive emballage de l’Union européenne 94/62/CE. Le poids total de l’emballage est de 1 080 g, constitué majoritairement de carton et d’un sachet en polyéthylène recyclable. Aucune mousse de calage, aucune agrafe ne sont utilisées. Les flux de distribution des produits sont optimisés par l’implantation de centres de distribution locaux, proches des zones de marché.

v Utilisation Les produits de la gamme Altivar 71- 0.37 à 18 kW ne présentent pas de nuisances entraînant des précautions d’usage particulières (bruit, émissions). L’énergie électrique consommée dépend des conditions de mise en œuvre et d’exploitation des produits.

292

12. Eco-Conception

12.8

Applications

Leur puissance consommée s’échelonne de 44 W à 620 W. Elle est de 44 W pour l’Altivar 71 - 0.75 kW 500 V et représente moins de 6 % de la puissance totale qui transite dans le produit.

v Fin de vie En fin de vie, les produits de la gamme Altivar 71-0,37 à 18 kW doivent être démantelés afin de mieux valoriser les différents matériaux constitutifs. Le potentiel de recyclage est supérieur à 80 %. Ce pourcentage comprend les métaux ferreux, les alliages de cuivre et d’aluminium et les plastiques marqués. Les produits de cette gamme comprennent également des cartes électroniques à extraire et à orienter dans des filières de traitement spécialisées. Les données de fin de vie sont détaillées dans la fiche de fin de vie des produits.

v Impacts environnementaux L’Analyse de Cycle de Vie (ACV) a été réalisée à l'aide du logiciel EIME (Environmental Impact and Management Explorer) version 1.6 et de sa base de données version 5.4 (C Fig.6). L’hypothèse de durée d'utilisation du produit est de 10 ans et le modèle d'énergie électrique utilisé est le modèle européen. Le périmètre analysé est composé d'un Altivar 71 - 0.75 kW 500 V. Les impacts environnementaux ont été analysés sur les étapes manufacturing (M) comprenant l'élaboration des matières premières, distribution (D) et utilisation (U). L’analyse des impacts environnementaux a été réalisée en comparant les impacts du produit sans éco-conception avec ceux du produit “éco­ conçu”. Le produit “éco-conçu” bénéficie d'une réduction de masse de 27 % et de volume de 19 % par rapport à la gamme précédente.

A Fig. 6

Les plastiques utilisés sont valorisables à 100 %, grâce aux choix de matières et à la nouvelle architecture du produit. Comparaison ACV des impacts entre l’Altivar 71 - 0.75 kW 500 V avec éco­ conception et sans éco-conception

Ces modifications ont permis de réduire l’impact global du produit sur l’environnement.

b Profil Environnemental Produit - PEP v Approche système Le variateur de vitesse permet une économie d'énergie en optimisant les cycles d’utilisation des moteurs électriques asynchrones. En régime transitoire, les produits de la gamme Altivar 71 - 0.37 à 18 kW peuvent faire diminuer de plus de moitié la consommation d’énergie d’une installation. Les valeurs d'impacts environnementaux données page précédente ne sont valides que dans le cadre précisé et ne peuvent être utilisées directement pour établir le bilan environnemental de l’installation.

v Glossaire Epuisement des ressources naturelles Raw Material Depletion (RMD) Cet indicateur quantifie la consommation de matières premières durant le cycle de vie du produit. Il est exprimé par la fraction de ressources naturelles disparaissant chaque année, rapportée à l’ensemble des réserves annuelles de cette matière.

12

293

12. Eco-Conception

12.8

Applications

• Epuisement de l’eau Water Depletion (WD) Cet indicateur calcule la consommation d'eau utilisée, qu'elle soit potable ou de source industrielle. Elle est exprimée en m3. • Potentiel des réchauffements dits atmosphériques (effet de serre) Global Warming Potential (GWP) Le réchauffement global de la planète résulte de l’accroissement de l’effet de serre dû à l’absorption du rayonnement solaire réfléchi par la surface de la terre par certains gaz dits “à effet de serre”. Cet effet est quantifié en gramme équivalent CO2. • Potentiel d’épuisement stratosphérique (destruction de la couche

d’ozone)

Ozone Depletion (OD)

Cet indicateur caractérise la contribution au phénomène de disparition de la couche d’ozone stratosphérique due à l’émission de certains gaz spécifiques. Cet effet est exprimé en gramme équivalent de CFC-11. • Création d’ozone atmosphérique Photochemical Ozone Creation (POC) Cet indicateur quantifie la contribution au phénomène de “smog” (oxydation photochimique de certains gaz qui produit de l’ozone) et est exprimé en gramme équivalent d’éthylène (C2H4). • Acidification de l’air Air Acidification (AA) Les substances acides présentes dans l’atmosphère sont entraînées par les pluies. Un taux élevé d’acidité de ces pluies peut entraîner le dépérissement des forêts. La contribution de l’acidification est calculée en utilisant les potentiels d’acidification des substances et est exprimée en mole équivalent de H+.

294

12

295

M 296

chapitre Mémento Présentation : • Formules pratiques issues des lois qui régissent l’univers électrique et mécanique. • Tableaux des principales grandeurs. • Unités de mesure, symboles et tables de conversion avec unités usuelles. • Régimes du neutre.

M. Mémento

Sommaire

1 2 M.1

Grandeurs et unités de mesure

Page

M.2

Calcul des résistances de démarrage

Page

M.3

Formules mécaniques

Page

M.4

Formules fondamentales

Page

M.5

Les régimes de neutre

Page

M.6

Entraînement des machines

Page

M.7

Tables de conversion entre unités usuelles

Page

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

297

M. Mémento

M.1

M.1

Grandeurs et unités de mesure

Désignation grandeur

Symbole Désignation littéral unité de mesure

accélération angulaire accélération en chute libre accélération linéaire angle plan

α

radian par seconde carré rad/s2

g a α, β, γ

mètre par seconde carré mètre par seconde carré radian degré (d'angle) minute (d'angle) seconde (d'angle)

m/s2 m/s2 rad ...° ...' ..."

capacité champ magnétique constante de temps

C H –

farad ampère par mètre seconde

F A/m s

diamètre différence de potentiel durée d'une période

d U

mètre volt

m V

T

seconde

s

échauffement énergie épaisseur flux magnétique force force électromotrice fréquence vitesse de rotation

∆θ W d φ F E f n

kelvin ou degré Celsius joule mètre weber newton volt hertz tour par seconde

K ou °C J m Wb N V Hz tr/s

glissement hauteur

g h

% mètre

✯ m

impédance inductance propre inductance mutuelle induction magnétique intensité de courant électrique

Z L M B I

ohm henry henry tesla ampère

Ω H H T A

largeur longueur

b I

mètre mètre

m m

Symbole

Sous-multiples des unités

Désignation grandeur

Symbole Désignation littéral unité de mesure

Symbole

masse moment d'un couple moment d'une force moment d'inertie

m T ou C M J ou I

kilogramme newton mètre newton mètre kilogramme mètre carré

kg N.m N.m kg.m2

poids pression profondeur puissance active puissance apparente puissance réactive

P p h P S Q

newton pascal mètre watt voltampère voltampère réactif

N Pa m W VA VAR

quantité de chaleur quantité d'électricité (charge électrique)

Q Q

joule coulomb ou ampère heure

J C ou A.h

rayon réactance réluctance rendement résistance résistivité

r X R η R ρ

mètre ohm ampère par Weber % ohm ohm mètre/mètre carré

m Ω A/W ✯ Ω Ω.m/m2

surface (aire) température Celsius température thermodynamique temps

A ou S θ T

mètre carré degré Celsius kelvin

m2 °C K

t

tension travail

U W

seconde (de temps) minute (de temps) heure jour volt joule

s min h d V J

vitesse angulaire vitesse linéaire volume

ω v V

radian par seconde mètre par seconde mètre cube

rad/s m/s m3

✯ Sans dimension

Multiples des unités

Préfixe

Symbole précédant l'unité

Facteur de multiplication

déci centi

d c

10–1 10–2

milli micro nano

m µ n

10–3 10–6 10–9

pico

p

10–12

Exemples : Cinq nanofarads = 5 nF = 5.10–9F Deux milliampères= 2 mA = 2.10–3A Huit micromètres = 8 µm = 8.10–6m

298

Grandeurs et unités de mesure

Préfixe

Symbole précédant l'unité

Facteur de multiplication

déca

da

101

hecto

h

102

kilo méga

k M

103 106

giga téra

G T

109 1012

Exemples : Deux mégajoules = 2 MJ = 2.106 J Un gigawatt = 1 GW= 10 9 W Trois kilohertz = 3 kHz= 3.10 3 Hz

M. Mémento

M.1

Grandeurs et unités de mesure

M 299

M. Mémento

M.1

Grandeurs et unités de mesure

Puissance active en continu en monophasé en triphasé avec P U I cos ϕ

Résistance d'un conducteur P = UI P = UIcosϕ P =UI 3cos ϕ

: puissance active en watts : tension en volts (en triphasé tension entre phases) : courant en ampères

: facteur de puissance du circuit

Puissance réactive en monophasé en triphasé avec

Q U I cos ϕ

Q = UI 3sinϕ = UI 3 1− cos ϕ

S U I

S = UI

en triphasé

S = UI 3

: puissance apparente en voltampères : tension en volts (triphasé : tension entre phases) : courant en ampères

Facteur de puissance cos ϕ =

puissance active puissance apparente

300

P I U η cos ϕ

résistivité à la température θ en ohms-mètres résistivité à la température θ0 en ohms-mètres θ - θ0 en degrés Celsius coefficient de température en degrés Celsius à la puissance moins un

W R I t

: : : :

énergie dissipée en joules résistance du circuit en ohms courant en ampères temps en secondes

Réactance inductive d'une inductance seule X L= Lω : : : :

réactance inductive en ohms inductance en henrys pulsation = 2 π f fréquence en hertz

Réactance capacitive d'une capacité seule XC =

Courant absorbé par un moteur

avec

: : : :

W = RI2ten monophasé

puissance utile puissance active absorbée

en monophasé

résistance du conducteur en ohms résistivité du conducteur en ohms-mètres longueur du conducteur en mètres section du conducteur en mètres carrés

Loi de Joule

avec XL L ω f

Rendement η =

: : : :

avec ρθ ρ ∆θ α

avec

en monophasé

R ρ l S

ρθ = ρ(1+ α ∆ θ)

2

: puissance réactive en voltampères réactif : tension en volts (triphasé : tension entre phases) : courant en ampères

: facteur de puissance du circuit

l S

Résistivité

Q = UIsinϕ = UI 1− cos 2 ϕ

Puissance apparente

avec

avec

R=ρ

I=

en triphasé

I=

en continu

I=

P Uηcosϕ

avec XC C ω f

réactance capacitive en ohms capacité en farads pulsation = 2 π f fréquence en hertz

Circuit à résistance seule Circuit à réactance seule Circuit à résistance et réactance

U 3ηcosϕ

: puissance active en watts : courant absorbé par le moteur en ampères : tension en volts (triphasé : tension entre phases) : rendement du moteur : facteur de puissance du circuit

: : : :

Loi d'Ohm

P P Uη

1 Cω

avec

U I R X Z

: tension aux bornes du circuit en volts : courant en ampères : résistance du circuit en ohms : XL ou XC réactance du circuit en ohms : impédance du circuit en ohms

Pour la détermination de Z, voir ci-après.

U = RI U = XI U = ZI

M. Mémento

M.1

Circuits à résistances R1

Grandeurs et unités de mesure

Circuits à résistances et réactances

R2

R3

XL

R

R

Z

R1 R2

XC

R

R

Z

R1 R2

XL

R

R3

XC

Z

R

Z=

2

R + XL – XC

2

R R3

R1

XL

R2

Z

R

R

Loi d'Ohm

XC Z 2

2

RI

U R

U R

P U P R

UI PR P I

2

RI

P 2 I

U P

U I

R XL XC Z

SYMBOLES U = Tension en volts I = Courant en ampères R = Résistance en ohms P = Puissance en watts

M 301

M. Mémento

M.2

M.2

Calcul des résistances de démarrage

Calcul des résistances de démarrage

Pour moteurs à cage

Pour moteurs à bagues

Résistance statorique

Résistance unité (1)

En triphasé

En triphasé

U R = 0,055 In avec R : valeur ohmique de la résistance par phase en ohms U : tension du réseau en volts

In : courant nominal du moteur en ampères

I moyen = 4,05 In

Ru =

333 P Ir2

avec P : puissance nominale en kilowatts Ir : courant rotorique nominal en ampères Ru : en ohms ou bien

245 P

Ru = Ir2

Pour commander une résistance, indiquer : la durée de mise sous tension de la résistance et le nombre de démarrages par heure. Habituellement, nous envisageons 12 démarrages par heure de 10 secondes chacun, dont 2 consécutifs à partir de l'état froid.

avec P : puissance nominale en chevaux Ir : courant rotorique nominal en ampères

Résistance pour démarrage étoile-triangle 3 temps

Valeur de la résistance au premier temps

R=

0,28 U In

avec R :valeur ohmique de la résistance par phase en ohms U :tension du réseau en volts In :courant nominal du moteur en ampères I moyen = 1,5 In

Pour commander une résistance, indiquer : le temps de couplage

de la résistance et le nombre de démarrages par heure.

En général, nous prévoyons 2 démarrages consécutifs de 3 secondes

espacés de 20 secondes.

Autotransformateur Pendant le démarrage. U moteur = k U ligne

C moteur = k2 C

I ligne ≠ k2 I

I moteur = k I

avec k : rapport de l'autotransformateur U sortie / U ligne C :couple en démarrage direct I : courant en démarrage direct Pour commander un auto-transformateur, indiquer : – qu'il s'agit d'un autotransformateur à entrefer (si possible) ; – la pointe de courant du moteur en démarrage direct (donnée par le constructeur du moteur) ; – la valeur de la tension à la sortie par rapport à la tension du réseau, en pourcentage ; – la durée de mise sous tension de l'autotransformateur et le nombre de démarrages par heure. Nous prévoyons, en général, des prises à 0,55 Un et 0,65 Un et 5 démarrages par heure de 8 secondes. Sans caractéristiques précises du moteur, nous prenons : Id = 6. In

302

R(1) =

Ru + r -r 1re pointe

avec R(1) : valeur de la résistance par phase Ru : résistance unité r : résistance interne du moteur 1re pointe : pointe de courant souhaitée au démarrage

Valeurs intermédiaires de la résistance R(n) =

R(n-1) + r -r Pointe

avec R(n): valeur de la résistance par phase pour ce temps R(n-1) : résistance au temps précédent r : résistance interne du moteur Pointe : pointe de courant souhaitée au temps correspondant

Pointe au dernier temps Pointe =

R(n-1) + r r

avec Pointe : pointe de courant obtenue R(n-1) : résistance au temps précédent r : résistance interne du moteur

Autre caractéristique I moyen = Ir +

Ip - Ir 3

avec I moyen : courant thermiquement équivalent Ir : courant rotorique nominal Ip : pointe de courant Pour commander une résistance, indiquer : la durée de mise sous tension de la résistance, le nombre de démarrages par heure et éventuellement la possibilité de freinage par contre-courant. (1) La résistance unité est la valeur théorique de la résistance par phase à insérer dans le circuit rotorique pour obtenir, le rotor étant calé, le couple nominal. Elle est indispensable pour déterminer la résistance de démarrage.

M. Mémento

M.3

M.3

Formules mécaniques

Formules mécaniques

Vitesse angulaire ω =

Couple nominal

2πn 60

Tn = Tn Pn ωn

Pn ωn

avec ω : vitesse angulaire en radians par seconde n : vitesse de rotation en tours par minute

avec

Fréquence de rotation à vide

Couple accélérateur Ta = Tm - Tr

Vitesse de synchronisme d'un moteur asynchrone ω= avec

ω n f p

: : : :

2pf p

ou

n =

60f p

avec

vitesse angulaire en radians par seconde vitesse de rotation en tours par minute fréquence du réseau en hertz nombre de paires de pôles du moteur

cylindre creux r12

r2 =

2

t =

r12 + r22 2

avec r : rayon de giration r1 : rayon extérieur r2 : rayon intérieur

avec t J ωn Ta Pn Ta/Tn

Moment d'inertie d'un corps de masse m J = mr2 J : moment d'inertie en kilogrammes-mètres carrés m : masse en kilogrammes r : rayon de giration en mètres

Il est parfois exprimé par les formules suivantes : J=

GD2 MD2 ou ou 4 4

2

ω ω'2

avec Jω : moment d'inertie en kilogrammes-mètres carrés rapporté à la vitesse angulaire ω J'ω' : moment d'inertie en kilogrammes-mètres carrés rap­ porté à la vitesse angulaire ω'

Jωn Ta

ou

t=

1 Jωn2 Pn (Ta/Tn)

: temps de démarrage en secondes : moment d'inertie total des masses en mouvement (mo­ teur + charge) en kilogrammes-mètres carrés : vitesse angulaire nominale en radians par seconde : couple accélérateur en newtons-mètres : puissance nominale du moteur en watts : rapport du couple accélérateur au couple nominal du moteur

Dans le cas de couples accélérateurs variant avec la vitesse, des formules pratiques propres aux diverses applications sont générale­ ment utilisées pour s'identifier à des cas de couples accélérateurs constants pour permettre des calculs rapides approchés. Par exemple, le couple accélérateur dans le cas d'un démarrage rotorique peut être assimilé, pour un calcul approché, à un couple constant équivalent :

PD2 4

Moment d'inertie rapporté à la vitesse ω Jω = J'ω'

: couple accélérateur en newtons-mètres : couple moteur en newtons-mètres : couple résistant en newtons-mètres

Durée de démarrage de la vitesse 0 à la vitesse ωn avec un couple accélérateur constant Ta

cylindre plein

avec

Ta Tm Tr

Durée de démarrage

Rayon de giration

r2 =

: couple nominal du moteur en newtons-mètres : puissance nominale du moteur en watts : vitesse angulaire nominale du moteur en radians par seconde

Ta = T m mini +

Tm maxi – Tm mini 3

– Tr

avec Tm mini Tm maxi Tr

: couple moteur immédiatement avant le court-circuitage d'une section de résistance : couple moteur immédiatement après le court-circuitage de cette section : couple résistant supposé constant

M 303

M. Mémento

M.4

M.4

Formules fondamentales

Système international d'unités SI : MKSA Grandeur Unités de base longueur l = mètre masse m = kilogramme temps t = seconde courant électrique i = ampère

m kg s A

Cinématique (mouvement rectiligne) l

Longueur

=

dl dt

l t

=

Cinématique (mouvement circulaire) Arc

Vitesse v

Formules fondamentales

en m/s

l r

Θ en radian, avec

Θ=

Vitesse angulaire dΘ Θ = ω = dt t

en rad/s

ω

=

2πn 60

Θ

n en tr/min

Vitesse v

dv = dt

en m/s

2

Dynamique (mouvement rectiligne) Force =

=

α

ω en rad/s

ω

dω d2Θ = dt2 dt

en rad/s 2

Accélération tangentielle a

F

=

Accélération angulaire

Accélération a

l r t

=

T

= r α

α en rad/s 2 a en m/s2

Dynamique (mouvement circulaire) Couple

m a

en N (newton)

T

=

Fx r

en N.m ou J/rad



Force de mise en mouvement

Couple de mise en mouvement

F

C

=

J

J

=

moment d’inertie en kgm 2

=

ma



Travail W =

Travail

F x l

en J (joule)

Puissance P

W = t

1 watt =

=

W =

CΘ

en J (Joule)

Puissance Fl = t

Fv

en W (watt)

1 joule 1 seconde

P

=

P

=

CΘ = t

C

Energie

Energie

W =

W =

1/2 mv 2

l’énergie cinétique est caractérisée par la vitesse du corps

304

dω dt

Cω

en W (watt)

2πn

60

1/2 mr 2 ω 2 =

N en tr/min

1/2 Jω2

l’énergie cinétique est caractérisée par la vitesse du corps

M. Mémento

M.5

M.5

Les régimes de neutre

Les régimes de neutre Les régimes de neutre mettent principalement en cause :

Le neutre Ce sont les points neutres des transformateurs HT/MT et MT/BT ainsi que les conducteurs neutres qui, en régime équilibré, ne sont parcourus par aucun courant.

Les masses Ce sont les parties conductrices accessibles d'un matériel électrique susceptibles d'être mises sous tension en cas de défaut. Prise de terre de l'alimentation

La terre Masses

Schéma TT

La terre peut être considérée comme un corps conducteur avec un potentiel conventionnellement fixé à zéro.

Les régimes basse tension Il y a trois régimes du neutre en basse tension définis par des schémas et repérés par deux lettres. Ce sont les régimes TN (C ou S), TT et IT. La première lettre correspond à la position du neutre par rapport à la terre, et la seconde à la situation des masses. La signification de chaque lettre est la suivante : T = Terre N = Neutre I = Impédance C = Combiné S = Séparé

Le schéma TN.C Prise de terre de l'alimentation

Il correspond à un neutre relié à la terre et les masses au neutre. Il est à noter que le conducteur neutre et celui de protection sont combinés. Masses

Le schéma TN.S Il correspond à un neutre relié à la terre et les masses au neutre, mais ici, le conducteur neutre est séparé de celui de protection.

Schéma IT

Le schéma TT Le neutre est directement relié à la terre ainsi que les masses, et ce par deux prises de terre séparées.

Le schéma IT Le neutre est relié à la terre par l'intermédiaire d'une impédance ou isolé. Les masses sont reliées directement à la terre.

Prise de terre de l'alimentation

Masses

Schéma TNC

Prise de terre de l'alimentation

Masses

Ces différents régimes permettent d'adapter la protection aux locaux et usages, en respectant le temps de coupure, fondé sur la durée de la résistance d'un individu aux effets d'un courant électrique, en fonction de sa tension (normalement 50 V durant 5 secondes et 100 V durant 0,2 seconde). Les réseaux de distribution basse tension des abonnés sont assimila­ bles au schéma TT, sauf s'ils interposent un transformateur de sépara­ tion qui leur laisse alors toute liberté de choix. Le schéma TT est simple à exploiter, mais il est limité aux installations peu étendues et peu complexes. Il déclenche au premier défaut et offre une sécurité totale. Le schéma IT présente la particularité de ne déclencher qu'au second défaut. Il est donc particulièrement indiqué chaque fois qu'une continuité de service est nécessaire, ce qui entraîne une maintenance particuliè­ rement sévère afin de détecter et d'intervenir dès le premier défaut avant que le second ne se produise. Cependant, l'assurance de la continuité d'alimentation n'est pas encore suffisante pour les informaticiens, qui préfèrent le schéma TN.S, avec un renfort de précautions et d'équipements spécifiques. Le schéma TN représente, par rapport au précédent, une forte écono­ mie d'installation. C'est le régime indispensable avec des courants de fuite importants.

Schéma TNS

M 305

M. Mémento

M.6

M.6

Entraînement des machines

Entraînement des machines

La machine accouplée au moteur présente essentiellement un moment d'inertie J (kg.m 2) auquel il faut ajouter celui du moteur, parfois important. La connaissance de cette inertie totale permet l'étude des régimes transitoires (démarrages et arrêts), mais n'intervient pas en régime établi.

Cd = Cr + Ca Inversement, si un couple accélérateur Ca est fixé, le temps de démarrage, pour Ca constant, se détermine par :

Mouvement de rotation Si la machine est entraînée par l'intermédiaire d'un réducteur à la vitesse n1, son moment d'inertie ramené au moteur tournant à la vitesse n2 s'exprime par la formule :

( )

n1 J (machine ramené au moteur) = J (machine) n2

2

Mouvement de translation Si la machine, de masse m (kg), se déplace à la vitesse linéaire v (m/s), pour la vitesse de rotation ω (rad/s) du moteur d'entraînement, le moment d'inertie au niveau de l'axe d'entraînement s'exprime par la formule : 2 2 J (machine) = m v = m v .3600 ω2 4 π2 . n 2

Le couple résistant moyen Cr dû à la mécanique et le couple accélérateur moyen Ca déterminent le couple moteur moyen Cd nécessaire pendant le temps de démarrage.

avec ω = 2 πn 60

t=

Jω Ca

En pratique : – en courant continu Cd = kCn où Cn = couple nominal moteur k = coefficient de surcharge du moteur. Il est lié au temps de surcharge et à la température initiale. Il est généralement compris entre 1,2 et 1,9 (voir catalogue Constructeur de moteurs). Dans cette zone, le courant d'induit et le couple peuvent être sensiblement proportionnels, – en courant alternatif Se référer aux caractéristiques de surcouple et de surintensité données par le catalogue Constructeur et aux caractéristiques d'emploi indiquées par ce catalogue.

Démarrage

Arrêt

Pour démarrer dans un temps imposé t (passage de l'arrêt à une vitesse angulaire ω), la connaissance du moment d'inertie J permet de déterminer le couple accélérateur moyen nécessaire Ca.

Si la machine est laissée à elle-même lors de la coupure de la tension d'alimentation, le couple de ralentissement est égal au couple résistant :

Ca (N.m) = J (kg.m) 2 dω (rad/s) dt (s)

Cra = Cr = J

= J (kg.m) 2 2πN (tr/min) 60t(s)

306

dω dt

L'arrêt se produira au bout d'un temps (t) lié au moment d'inertie par la relation : t=

J ω si Cr est à peu près constant. Cr

M. Mémento

M.6

Entraînement des machines

Freinage rhéostatique

Freinage par récupération

Si le temps d'arrêt est inacceptable, il faut augmenter le couple de ralentissement d'un couple de freinage électrique Cf tel que :

Le freinage peut être du type par récupération, il est obtenu en utilisant des variateurs réversibles. En limitation de courant, le couple de freinage est constant jusqu'à l'arrêt. La machine conditionne le dimensionnement du moteur et de l'équipement qui doivent répondre au régime permanent, mais aussi aux régimes transitoires : démarrages fréquents ou rapides, à­ coups de charge répétés.

Cra = Cr + Cf = J

dω dt

Le freinage peut être du type rhéostatique ; se rappeler toutefois que son efficacité est proportionnelle à la vitesse (Cf = kω)

Sens de fonctionnement

Couple et puissance Pour déterminer convenablement l'ensemble moteur-variateur, il est très important de connaître la caractéristique couple/vitesse des différentes machines entraînées.

Le croquis ci-dessus montre les 4 possibilités de fonctionnement

(4 quadrants) dans le plan couple vitesse.

Elles sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Rotation 1 er sens 2 e sens

La machine fonctionne

Couple C

Vitesse n

Produit Quadrant Cxn

en moteur

+

+

+

1

en générateur

–

+

–

2

en moteur

–

–

+

3

en générateur

+

–

–

4

Dans la pratique, toutes les machines peuvent être classées dans 4 catégories de base : – couple constant (figure 1), – puissance constante (figure 2), – couple croissant linéairement avec la vitesse C = kn, la puissance P variant comme le carré de la vitesse (figure 3), – couple croissant comme le carré de la vitesse C= kn 2, la puissance variant comme le cube de la vitesse (figure 4). Un nombre limité de machines peut avoir des caractéristiques de fonctionnement résultant de la combinaison de ces différentes catégories.

M 307

M. Mémento

M.7

M.7

Tables de conversion entre unités usuelles

Tables de conversion entre unités usuelles

Longueur Unités

m

in.

ft

yd

1 mètre (m)

1

39,37

3,281

1,094

1 pouce (in. ou ")

0,0254

1

0,0833

0,02778

1 pied (ft ou ')

0,3048

12

1

0,3333

1 yard (yd)

0,9144

36

3

1

m2

sq.in

sq.ft

sq.yd

1 mètre carré (m )

1

1550

10,764

1,196

1 pouce carré (sq.in.) (in 2)

6,45 10 –4

1

6,944 10 –3

7,716 10 –4

1 pied carré (sq.ft) (ft 2)

0,0929

144

1

0,111

0,8361

1296

9

1

m3

dm3

cu.in.

cu.ft

cu.yd

1 mètre cube (m )

1

1000

61024

35,3147

1,3079

1 décimètre cube (dm 3) (litre)

0,001

1

61,024

0,0353

0,0013

1 pouce cube (cu.in.) (in3)

1,639 10 –5

0,0164

1

5,787 10 –4

2,143 10 –5

1 pied cube (cu.ft) (ft 3)

0,0283

28,32

1728

1

0,0370

0,7645

764,5

46656

27

1

Unités

kg

oz

lb

1 kilogramme (kg)

1

35,27

2,205

1 once (oz)

0,028

1

0,0625

1 livre (lb)

0,454

16

1

Pa

MPa

bar

psi

1

10

10

1,45 10 –4

Surface Unités 2

1 yard carré (sq.yd) (yd ) 2

Volume Unités 3

1 yard cube (cu.yd) (yd ) 3

Masse

Pression Unités 1 pascal (Pa) ou newton par m (N/m ) 2

2

–6

–5

1 méga pascal (MPa) ou 1 newton par mm 2 (N/mm 2)

10

6

1

10

145,04

1 bar (bar)

10

5

0,1

1

14,504

6,895 10 –3

0,06895

1

1 pound weight par pouce carré 1 lbf/in 2) (psi)

308

6895

M. Mémento

M.7

Tables de conversion entre unités usuelles

Vitesse angulaire Unités

rad/s

tr/min

1 radian par seconde (rad/s)

1

9,549

1 tour par minute (tr/min)

0,105

1

Vitesse linéaire Unités

m/s

km/h

m/min

1 mètre par seconde (m/s)

1

3,6

60

1 kilomètre par heure (km/h)

0,2778

1

16,66

1 mètre par minute (m/min)

0,01667

0,06

1

Unités

W

ch

1 watt (W)

1

1,36 10

1 cheval (ch)

736

1

0,9863

542,5

1 horse-power (HP)

745,7

1,014

1

550

1 ft-lbf/s

1,356

1,843 10 –3

1,818 10 –3

1

Unités

N

kgf

Ibf

pdl

1 newton (N)

1

0,102

0,225

7,233

1 kilogramme-force (kgf)

9,81

1

2,205

70,93

1 pound weight (lbf)

4,448

0,453

1

32,17

1 poundal (pdl)

0,138

0,0141

0,0311

1

Unités

J

cal

kW/h

B.t.u.

1 joule (J)

1

0,24

2,78 10 –7

9,48 10 –4

1 calorie (cal)

4,1855

1

1,163 10 –6

3,967 10 –3

1 kilowatt-heure (kW/h)

3,6 10 6

8,60 10 5

1

3412

1 British thermal unit (B.t.u)

1055

252

2,93 10 –4

1

kg.m 2

lb.ft 2

lb.in 2

oz.in 2

1 kilogramme mètre carré

1

23,73

3417

54675

1 livre-pied carré (lb.ft )

0,042

1

144

2304

1 livre-pouce carré (lb.in2)

2,926 10 –4

6,944 10 –3

1

16

1 once-pouce carré (oz.in 2)

1,829 10 –5

4,34 10 –4

0,0625

1

Puissance HP –3

1,341 10

ft-lbf/s –3

0,7376

Force

Energie-travail-chaleur

Moment d'inertie Unités

2

M 309

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