Concevoir et déployer rapidement des machines compatibles IIoT

La conception et le déploiement rapides de machines prêtes pour l'intégration dans l'Internet industriel des objets (IIoT) constituent un défi. Les machines compatibles IIoT doivent prendre en charge la mise en service rapide de la communication et de la coordination machine-à-machine, machine-à-usine et machine-à-cloud.

Pour ce faire, une solution complète est nécessaire. Elle doit inclure une gamme complète de modules de contrôle, d'interface et de communication. L'évolutivité est indispensable. Une installation simplifiée doit être possible pour un déploiement rapide. Enfin, cette solution doit s'intégrer facilement dans un environnement multifournisseur pour prendre en charge les équipements existants.

Il en résulte un plus haut rendement opérationnel à tous les niveaux de l'organisation et tout au long du cycle de vie des machines.

Cet article examine comment les options de commande moteur de Schneider Electric fournissent des solutions d'automatisation de bout en bout aux concepteurs. Il présente les caractéristiques et les avantages des démarreurs progressifs Altistart, des variateurs Altivar, des automates programmables (PLC) et des commutateurs Ethernet Modicon, des relais de commande Harmony et des disjoncteurs PowerPacT.

Il détaille ensuite comment les éléments du système TeSys island prennent en charge des solutions complètes et s'intègrent facilement aux environnements Rockwell Studio 5000 et Siemens TIA Portal pour gérer les machines existantes, et conclut en examinant comment le logiciel EcoStruxure Machine Expert de Schneider Electric accélère le développement, la configuration et la mise en service des machines compatibles IIoT.

Le mouvement est une caractéristique fondamentale des machines industrielles. Il est mis en œuvre de diverses manières, des profils de mouvement simples dans des systèmes tels que des pompes, des convoyeurs et des grues aux profils de mouvement complexes dans les opérations de processus et d'assemblage et la robotique.

Les machines avec des profils de mouvement simples peuvent bénéficier des fonctionnalités des démarreurs progressifs comme ceux de la famille Altistart. Les démarreurs progressifs Altistart prennent en charge les éléments suivants :

• Accélération contrôlée qui réduit les chocs mécaniques susceptibles d'accroître l'usure et d'augmenter les besoins de maintenance et les temps d'arrêt des machines
• Limitation des courants d'appel pour réduire la consommation d'énergie
• Protection des moteurs contre les surtensions qui peuvent se produire au démarrage, améliorant leur durée de vie
• Fiabilité accrue grâce à la détection de défauts tels qu'un moteur bloqué, une sous-charge ou une mise à la terre incorrecte, et à l'envoi d'une alerte aux opérateurs de machines

Les machines de base qui n'ont pas besoin d'un couple de démarrage élevé peuvent se tourner vers les démarreurs progressifs de la série ATS01. L'activation de l'entrée logique BOOST permet d'appliquer une augmentation de tension égale à 100 % de la tension nominale du moteur pendant 200 millisecondes (ms) pour surmonter les frottements mécaniques initiaux du système. La montée en tension programmée commence après l'augmentation.

Le modèle ATS01N232RT est destiné au démarrage et à l'arrêt progressifs des moteurs asynchrones triphasés jusqu'à 15 kilowatts (kW) (20 chevaux (hp)) avec des temps d'accélération et de décélération de 1 à 10 secondes. Il est optimisé pour les applications à entraînement par courroie simples telles que les pompes, les compresseurs et les ventilateurs fonctionnant de 440 V_CA à 480 V_CA. Les commandes se trouvent sur le panneau avant pour régler l'heure de démarrage, la tension initiale et l'heure d'arrêt pour l'installation et la mise en service.

Les concepteurs de machines plus exigeantes en termes de processus et d'infrastructure, telles que les mélangeurs, les concasseurs et les convoyeurs, peuvent se tourner vers la série de démarreurs progressifs Altivar ATS480. Alors que les démarreurs progressifs plus simples utilisent des rampes de tension, les démarreurs progressifs ATS480 utilisent une rampe de couple plus douce et peuvent mettre en œuvre une fonction de freinage.

Le modèle ATS480C11Y fonctionne avec des tensions de 208 V_CA à 690 V_CA (Figure 1). Selon la tension du moteur, il peut être utilisé avec des moteurs de 22 à 90 kW (25 à 100 hp). Il est doté d'un port de communication série Modbus avec un connecteur RJ45. Des cartes de communication optionnelles sont disponibles pour Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP et CANopen.

Figure 1 : Ce démarreur progressif Altivar est conçu pour une utilisation avec des moteurs asynchrones de 22 à 90 kW. (Source de l'image : DigiKey)

Commande de machines plus avancées

Les profils de mouvement complexes dans les machines avancées peuvent être pris en charge par des variateurs de fréquence (VFD) tels que ceux de la famille Altivar 320 avec des unités répertoriées de 0,18 à 15 kW (0,25 à 20 hp) pour des applications telles que la manutention, le conditionnement, les textiles, le levage, les actionneurs mécaniques et le travail des matériaux. L'ATV320U75M3C est répertorié pour 7,5 kW et fonctionne à partir d'une tension d'alimentation de 200 V_CA à 240 V_CA.

Pour accélérer la configuration et la mise en service, ces variateurs sont dotés de 150 fonctions et de configurations standard et personnalisables. Des fonctions dédiées aux applications telles que la manutention, les textiles, le levage et les actionneurs mécaniques sont disponibles.

Les VFD Altivar 320 peuvent fournir un contrôle hautes performances des moteurs asynchrones et à aimants permanents, y compris la précision du couple et de la vitesse à très basse vitesse et le mouvement dynamique avec contrôle vectoriel de flux sans capteur. Lorsqu'ils sont utilisés avec des moteurs synchrones et asynchrones triphasés, ces VFD présentent les caractéristiques suivantes :

• Prise en charge des moteurs haute vitesse
• Précision de la vitesse statique pour les moteurs synchrones en boucle ouverte
• Options d'intégration système flexibles, y compris Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet, et plus
• Fonctions de sécurité intégrées conformes aux normes de sécurité fonctionnelle
• Variateurs disponibles en format « book » compact avec des degrés de protection IP20 à IP66 prenant en charge l'intégration dans différents types d'armoires (Figure 2)

Figure 2 : Les VFD Altivar 320 sont disponibles dans différents facteurs de forme pour simplifier l'installation et optimiser l'utilisation de l'espace dans les armoires d'équipement. (Source de l'image : DigiKey)

Machines multi-axes hautes performances

Les automates programmables (PLC) et les commutateurs Ethernet Modicon peuvent prendre en charge des conceptions hautes performances s'étendant de machines à un seul axe indépendant à des machines à plusieurs axes synchronisés hautes performances nécessitant un positionnement et des mouvements rapides et précis comme la robotique.

Ces contrôleurs périphériques natifs IIoT peuvent se connecter directement au cloud à l'aide de MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), du serveur et du client OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) et du chiffrement TLS (Transport Layer Security), et ils sont dotés de fonctions de sécurité et de cybersécurité intégrées. Le port Ethernet double peut prendre en charge les protocoles Ethernet/IP et Modbus TCP. Des ports RS232 et RS485, un port USB et un emplacement pour une carte SD sont également disponibles.

Les contrôleurs TM262L sont destinés à la commande logique de plusieurs configurations entrée/sortie, y compris quatre entrées numériques rapides et quatre sorties numériques rapides. Le modèle TM262L10MESE8T a une vitesse d'exécution de 5 nanosecondes (ns) par instruction. Le processeur double cœur gère efficacement les applications et les communications parallèles (Figure 3).

Figure 3 : Ce PLC Modicon M262 fournit une connectivité Ethernet machine-à-cloud et machine-à-usine compatible IIoT. (Source de l'image : DigiKey)

Le bus TM4 de la famille Modicon M262 prend en charge jusqu'à 3 modules d'extension de communication. Les modules d'extension Profibus DP (TM4PDPS1) et Ethernet (TM4ES4) peuvent être utilisés dans différentes combinaisons jusqu'à un maximum de trois modules.

Éliminer les anomalies

Parfois, les machines, y compris les machines compatibles IIoT, doivent être protégées contre des conditions anormales. C'est là que les relais de commande Harmony entrent en jeu. Ils peuvent surveiller les conditions électriques et mécaniques, et identifier les anomalies liées au courant, à la tension, à la phase, à la fréquence, à la vitesse, à la température, au contrôle de pompe et même au niveau de liquide.

L'identification rapide et précise des anomalies peut augmenter la disponibilité et réduire le besoin de maintenance imprévue dans des applications telles que le pompage, le traitement de l'eau, les palans et élévateurs, les systèmes de conditionnement et les machines textiles. Les relais de commande Harmony sont disponibles avec un large éventail de fonctions pour répondre aux besoins d'application spécifiques.

Le modèle RMNF22TB30 est un relais triphasé avec technologie de communications en champ proche (NFC) intégrée. Il peut surveiller sept paramètres : perte de phase, séquence de phase, asymétrie, sous-tension, surtension, sous-fréquence et surfréquence. À l'aide de l'application NFC, les concepteurs peuvent utiliser la logique ET, OU et NON pour former des combinaisons de surveillance personnalisées pour les deux sorties de relais configurables individuellement.

Pour les machines plus simples qui n'ont besoin que d'une surveillance de surtension, les concepteurs peuvent se tourner vers le RM22UA21MR (Figure 4). Ce relais de commande monophasé inclut une fonction de mémoire sélectionnable et une LED intégrée indiquant l'état de contrôle. Les trimmers à vis permettent des réglages de seuil simples et précis, et fournissent une gestion d'arrêt automatique et des informations sur les défaillances pour une identification et un dépannage rapides des problèmes.

Figure 4 : Relais de commande de surtension monophasé avec capacité de commutation de 2 kVA. (Source de l'image : DigiKey)

Protection de base

Les applications pouvant bénéficier d'une protection plus basique peuvent se tourner vers les disjoncteurs PowerPacT répertoriés de 15 à 125 A et disponibles avec un, deux, trois et quatre pôles. Ces disjoncteurs thermomagnétiques ont un indicateur de contact positif et offrent un isolement conforme aux normes CEI/EN60947-1 et CEI/EN60947-2 relatives aux appareillages de commande et de commutation basse tension.

Le modèle BDF16020 est une unité unipolaire de 20 A avec une tension de fonctionnement nominale de 240 V_CA 50/60 Hz selon UL 489. Son courant nominal continu représente 80 % de la valeur nominale maximum et il est répertorié pour une « coupure de service » selon la norme CEI 60947-2 (Figure 5). L'affichage LED VisiTrip permet de voir plus facilement quel disjoncteur s'est déclenché dans le boîtier ou sur le panneau. Le produit dispose également d'un code QR permettant d'accéder à des informations, y compris le manuel d'instructions, les numéros de référence et les dessins CAO.

Figure 5 : Les disjoncteurs de ce type offrent un indicateur de contact positif et répondent aux exigences d'isolement de la norme CEI/EN60947. (Source de l'image : DigiKey)

Nœuds de bus de terrain intégrés

TeSys est une solution de gestion de charge connectée IIoT numérisée qui agit comme un nœud intégré dans un réseau Fieldbus et inclut les modules nécessaires pour implémenter une machine compatible IIoT. Elle est basée sur des dispositifs multifonctionnels et des avatars pour les applications industrielles avec des charges jusqu'à 80 A, et elle peut accélérer les délais de conception, de câblage et de mise en service.

Un coupleur de bus comme le TPRBCEIP est le module central qui assure la communication interne avec les modules TeSys island via des câbles plats. C'est également le point de connexion entre un système TeSys island et un système d'automatisation externe utilisant la communication EtherNet/IP ou Modbus TCP. Un serveur Web embarqué prend en charge les diagnostics et la maintenance. Il inclut un port de service RJ45 sur Ethernet, un port de carte micro SD et un port pour le bus interne interconnectant les modules du TeSys island. Une configuration typique inclut les éléments suivants (Figure 6) :

1. Coupleur de bus
2. Module entrée/sortie analogique
3. Module entrée/sortie numérique
4. Module d'interface de tension
5. Démarreurs standard
6. Démarreur à niveau d'intégrité de sécurité (SIL)
7. Module d'interface SIL
8. Module d'interface de puissance

Figure 6 : Les unités combinées dans le TeSys island agissent comme un nœud unique dans un réseau Fieldbus. (Source de l'image : Schneider Electric)

Exemples de modules TeSys island :

• LC1DT406BL : contacteur TeSys Deca 40 A, 4 pôles, normalement ouvert, conforme à la norme CEI60335-1 pour les systèmes industriels et CVC
• LC1G115EHEN : contacteur TeSys Giga 150 A (75 kW à 440 V_CA), 3 pôles, normalement ouvert, conçu pour une utilisation dans les applications exigeantes avec des taux de fonctionnement atteignant 600 cycles par heure et une température de fonctionnement jusqu'à +60°C
• TPRDG4X2 : module E/S numérique avec quatre entrées numériques et deux sorties numériques pouvant gérer des moteurs et d'autres charges électriques jusqu'à 65 A (37 kW, 40 hp). Tous les réglages et paramètres sont numérisés, et il n'y a pas de cadrans mécaniques ni de commutateurs DIP
• Démarreurs moteurs communicants TeSys island : répertoriés jusqu'à 40 hp (80 A à 480 V). Ces démarreurs SIL répondent aux exigences des normes CEI 61508, CEI 62061 et ISO 13849-1, et prennent en charge PL d et SIL 2

Le TeSys island prend également en charge des solutions complètes et s'intègre facilement aux environnements Rockwell Studio 5000 et Siemens TIA Portal pour prendre en charge les machines existantes.

Assemblage

Lorsque le moment est venu de construire la machine complète, les concepteurs peuvent se tourner vers EcoStruxure Machine Expert. Cette solution logicielle prend en charge le développement, la configuration, la mise en service, l'exploitation et la maintenance des machines compatibles IIoT.

EcoStruxure Machine Expert peut gérer tous les derniers blocs fonctionnels des machines IIoT, y compris les PLC Modicon M262 et le système de gestion de charge numérique TeSys island. Il est conçu pour délivrer des machines optimisées pour la sécurité, la fiabilité, le rendement, la connectivité et la durabilité. Il exploite l'IIoT avec des solutions de mobilité, de détection, de cloud, d'analyse et de cybersécurité pour accomplir cette tâche complexe.

Conclusion

Les machines compatibles IIoT constituent un aspect important des opérations de l'Industrie 4.0. La conception, la mise en service et l'intégration de ces machines sont des tâches complexes. Schneider Electric fournit aux concepteurs de machines une suite complète de dispositifs et d'outils logiciels pour les machines compatibles IIoT, permettant d'améliorer l'efficacité opérationnelle à tous les niveaux de l'organisation et tout au long du cycle de vie des machines.