Commande et gestion industrielle en périphérie

Posted By : Victoria Chercasova
Commande et gestion industrielle en périphérie

Alors que les applications cloud et les processus industriels étaient auparavant des espaces distincts, l'Internet industriel des objets (IIoT) transporte les données de l'usine vers le Cloud en réunissant les deux. A la frontière se trouve la "Périphérie" (ou Edge en anglais).

L'informatique dite de "périphérie" (Edge Computing en anglais), définie par certains dispositifs comme des passerelles ou des dispositifs industriels reliés directement au réseau, correspond au point où le nuage rencontre le concret, là où l'action se passe. La position unique de la Périphérie signifie que les architectes système doivent maîtriser à la fois les logiciels cloud et les réseaux, ainsi que la commande et la gestion industrielles.

 

Commande par opposition à gestion

Dans le contexte des dispositifs Edge, il est nécessaire d'établir une distinction entre commande et gestion. Les tâches de gestion, comme les mises à jour de firmware (micrologiciel) ou les diagnostics, se font dans un délai relativement court et peuvent s’effectuer à partir du Cloud, alors que la commande doit se faire au niveau de la périphérie, puisqu’elle doit par nature être exécutée en temps réel. La latence entre le Cloud et l’Edge est tout simplement trop grande pour permettre le feedback et la commande en temps réel.

Cet article donne un aperçu des systèmes de commande généralement utilisés dans un contexte industriel. Il couvre les actionneurs et les AFE (Analog Front End, ou frontal analogique) correspondants, et présente aussi quelques exemples de boucles de régulation complètes.

Commande industrielle

La commande dirige les interactions physiques intervenant dans l’atelier. Ces interactions sont réalisées par l'intermédiaire d'actionneurs (dispositifs électromécaniques) qui convertissent les signaux électriques en interactions physiques, par exemple pour positionner une pièce ou assembler un composant.

Les actionneurs industriels peuvent être considérés comme des actionneurs linéaires ou rotatifs. Les actionneurs électriques comprennent les moteurs, les dispositifs piézoélectriques et les solénoïdes. Les actionneurs non électriques comprennent les vérins, les freins et les pompes, qui sont à commande hydraulique, et d'autres dispositifs à commande pneumatique.

Moteurs

Les moteurs fonctionnent en créant un champ magnétique lors du passage du courant ; champ magnétique qui à son tour génère une force mécanique de rotation. On peut classer les moteurs en CA (à courant alternatif), CC (à courant continu) et pas-à-pas, qui convertissent les impulsions électriques en petites rotations angulaires.

Solénoïdes

Les solénoïdes fonctionnent un peu comme les moteurs, mais génèrent un mouvement linéaire. Lorsqu'un courant électrique traverse une bobine, un champ magnétique est induit et exerce une force sur la tige à l'intérieur pour la déplacer linéairement. Les solénoïdes peuvent être pilotés en tension ou en courant. Ils servent dans des applications comme les relais, les commandes de vannes ou les sectionneurs électriques.

Dans le cas des dispositifs piézoélectriques, l'application d'une tension provoque un déplacement mécanique, généré par la déformation du matériau, généralement du quartz ou de la céramique. Ils fournissent une réponse rapide, avec un contrôle précis. De plus, ils sont écoénergétiques, car aucune énergie n'est nécessaire pour les maintenir en position à l’inverse des solénoïdes. Par contre, ils nécessitent une tension élevée et présentent une certaine hystérésis. Ils sont utilisés pour l'haptique (retour sensitif) des appareils grand-public, le positionnement des vannes et la mécanique de précision.

Actionneurs d'entraînement

Pour piloter l'actionneur, un AFE (Analog Front End, ou frontal analogique) est utilisé. Celui-ci est constitué d'un CNA (convertisseur numérique-analogique) et d'un buffer haute-tension pour générer les tensions nécessaires à commander l'actionneur.

Typiquement, le CNA utilise 10 à 14 bits, et présente un temps de stabilisation de 10 µs, une faible consommation, un fonctionnement à 100 KHz, et une DNL (Differential Non-Linearity, ou non-linéarité différentielle) < 1 LSB (Least Significant Bit, ou bit de poids faible) pour la monotonie. 

Un CNA à échelle de résistance suffit en général du fait du faible taux de conversion. Un buffer haute-tension est généralement présent entre le CNA et l'actionneur, en fonction des caractéristiques de la charge.

Fig 1. Exemple d'AFE raccordé à un actionneur piézoélectrique

 

Boucles de commande

Même si les boucles de commande diffèrent les unes des autres, elles partagent en général certains éléments communs. Il s'agit notamment de capteurs, et de circuits de mesure, d'analyse et de réponse.

Capteur unique

Pour comprendre les principes de commande, on peut d'abord examiner un système relativement simple.

Fig 2. Enceinte climatique avec lasers et contrôleurs

Voici une enceinte climatique avec un ensemble de lasers et leurs contrôleurs. Les lasers doivent être maintenus dan une plage de température étroite, de quelques dixièmes de degré Kelvin. Pour régler la température de l’enceinte, on peut injecter de l'air chaud ou froid à l'intérieur.

Pour s'assurer de régler la bonne température, il faut tenir compte du fait qu'il peut y avoir une différence entre la température réelle et la température mesurée au niveau des thermistances. Cette différence est l'erreur de température. En combinant les erreurs de chaque thermistance et en faisant ensuite la moyenne quadratique, on peut estimer la valeur de l’erreur dans le pire des cas.

On obtient un chiffre unique que l’on peut utiliser pour estimer l'erreur de température, et avec lequel on peut déterminer comment contrôler l'air entrant dans la chambre. La méthode la plus simple pour effectuer ce contrôle est de multiplier l'erreur par un certain coefficient "P". Cela fournit une différence que l’on peut appliquer au réglage de la température de l'air. La valeur de P détermine la vitesse à laquelle l'erreur est réduite.

Ce schéma de commande ne permet cependant pas de complètement éliminer l'erreur. Pour accomplir cet exploit, il faut aussi prendre en compte la tendance d’évolution. En ajoutant un terme qui additionne les erreurs précédentes et les multiplie par un coefficient "I", on obtient un contrôleur "PI".

Si l’on souhaite une réponse plus rapide aux changements rapides de température, on peut aussi ajouter un terme pour la dérivée de l'erreur, ou terme "D". On obtient alors un contrôleur PID classique.

Capteurs multiples

Le schéma du contrôleur peut devenir plus complexe s’il y a plusieurs entrées de capteurs à prendre en compte.

Un exemple est un système de commande de vanne à air comprimé piloté par un composant piézoélectrique. Les capteurs de pression vérifient la pression de l'air comprimé en différents points. La position angulaire de la vanne est également surveillée. Toutes ces entrées de capteurs sont utilisées dans la boucle de régulation.

Ce type de système à plusieurs capteurs peuvent être très complexes dans la mesure où plusieurs sources d'information doivent être consolidées. Le capteur de position peut indiquer que la vanne est dans la position souhaitée, alors que les capteurs de pression indiquent qu’elle n’est pas encore positionnée correctement.

Le système de commande doit être capable de réconcilier divers capteurs susceptibles de fournir des informations contradictoires, et de recourir à un arbre de décision pour exécuter la bonne action.

Les lasers doivent être caractérisés dans des conditions environnementales bien définies. Leur température doit donc être contrôlée selon des tolérances très strictes, de quelques dixièmes de degrés Kelvin. On peut injecter de l’air chaud ou froid, selon les besoins, dans l’enceinte climatique. Les températures des appareils sont mesurées à l'aide de plusieurs thermistances installées à proximité des appareils eux-mêmes.

Les autres facteurs à prendre en compte sont la bande passante de la boucle (la vitesse à laquelle les capteurs réagissent aux changements de température de l'air), ainsi que le "lag" (ou retard, c’est-à-dire le temps qu'il faut pour qu'un changement d’état de l’actionneur produise une variation de la grandeur mesurée).

Commande intégrée

Plutôt que de construire les systèmes de contrôle séparément, une solution assez populaire et économique de nos jours, est d'intégrer toutes les fonctionnalités dans une seule puce. L'intégration d'un processeur tel qu'un Cortex M3/M4, capable d’effectuer rapidement des calculs en virgule flottante, permet d’obtenir une résolution de boucle élevée, pour des boucles de commande à réponse rapide. Ces processeurs peuvent être intégrés sur la même puce que d'autres composants numériques ou analogiques, comme des AFE pour commander des actionneurs, ou des capteurs pour fournir des entrées, et même des amplis op, des commutateurs de puissance ou d’autres dispositifs qui autrement seraient des composants sur une carte séparée. Ce type d'intégration permet de réduire les coûts de nomenclature, d’accroître la fiabilité et de réduire le risque de problème d'approvisionnement en fin de vie des composants. En outre, ces solutions intégrées permettent souvent de réaliser d'importantes économies d'énergie.

Pour une solution prête à l'emploi, la plateforme SmartEdge™ de la division ASIC & IP d'Adesto intègre l'AFE des capteurs, la boucle de régulation, l'étalonnage, la sécurité et les éléments de communication, sur un même ASIC économique adapté aux périphériques Smart Edge.

Des boucles de régulation bien conçues simplifient grandement la conception du système. Les principes que nous venons de décrire sont les briques fondamentales des mécanismes de commande et permettent de comprendre les systèmes de toutes tailles et de toute complexité. Une fois testées au niveau de la carte, ces boucles de commande peuvent être intégrées dans une même puce, ce qui permet de réduire les coûts de nomenclature et la consommation d'énergie, tout en améliorant la fiabilité à long terme.


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