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Hydraulique et Mécatronique :vers des composants
"intelligents"
6ème Rencontre Nationale des Mécaniciens du CNRS
Nouan le Fuzelier 26 – 29 septembre 2005
Michel Blot
2
Présentation
1. Hydraulique et Electrohydraulique
2. Servovalves et Servodistributeurs
3. Mécatronique
4. Evolution des servovalves
5. Communication par bus de terrain
6. Valve “ intelligente ” et “ communicante ” - Application sur éolienne
7. Evolution des pompes à débit variable
8. Conclusion
3
Asservissementélectrohydraulique
• Hydraulique de puissance : transmissions oléo-pneumatiques
Transmettre l’énergie à l’aide d’un fluide
• Electrohydraulique :
Utiliser un signal électrique pour commander les organes de distribution
• Asservissement :
- Mesurer la grandeur à asservir ou à réguler
- Comparer à la valeur de consigne (valeur désirée)
- Agir de façon à annuler l’écart entre les deux valeurs
4
Asservissement électrohydraulique
ampli servovalve vérin
capteur
Uc +
-Up
i Q X
5
Servovalveélectrohydraulique
Définition : Organe de contrôle proportionnel d’un débit ou d’une pression par un signal électrique.
6
SV à 2 étages rétroaction mécanique
• puissance de commande faible (< 50 mW)
• force de commande du tiroir élevée
• dynamiques élevées (≈ 100 Hz)
• bonne résolution ( < 0,5 %)
• hystérésis < 3%
• débits jusqu’à 100 l/min
7
SV 2 étagesrétroaction électrique
• Intégration de l’électronique d’asservissement de la position du tiroir
• excellente résolution < 0,1 %
• hystérésis très faible < 1%
• recopie position du tiroir
8
SV Pression Débitétage “Servo Jet ”
• capteur de pression intégré
• commande débit – limitation pression
• valve de commande pression
• performances dépendantes de du volume compressible
• recopie position tiroir et recopie pression
9
SV à commande directeDirect Drive Valve “DDV ”
• moteur force linéaire (5 - 10 W)
• pas de fuites internes
• performances indépendantes de la pression
• excellente résolution
• très faible hystérésis
• recopie position du tiroir
• bonne dynamique
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Mécatronique (1)
• Génie mécanique
• Génie électrique
• Informatique
• Automatique
C’est la combinaison de :
MECATRONIQUE
11
Mécatronique (2)
Mécanique
• RDM, DAO,
• Mécanique des fluides,
• Vibrations, Thermique …
Electrique
• Energie, Electronique
• Capteurs,
• Réseaux, CEM …
Automatique
• Modèlisation
• Optimisation ,
• Lois de commande …
Informatique
• Algorithmes, simulation
• Communication ,
• Protocoles, IHM…
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Mécatronique (3)• Concevoir une machine est une activité plurisdisciplinaire,
• Intégrer les exigences machine au niveau des composants primaires
• De la fourniture de composants vers la fourniture de solutions,
• Les outils de maintenance ont changés, la formation des hommes a évoluée
• Les évolutions technologiques sont très rapides
Mécatronique :
Ensemble des techniques permettant d'apporter de l'intelligence à un système ou à une machine.
(Larousse 2005)
13
Mécatronique (4)
La mécatronique impose un changement de culture technique :
Il faut intégrer des connaissances et des métiers différents, il faut surtout gérer les interfaces entre ces métiers.
Deux exemples dans Les industries des transmissions hydrauliques et pneumatiques :
• DIV (Digital Interface Valve)
• DCP (Digital Control Pump)
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Evolution des servodistributeurs
Rétroaction mécanique
Rétroaction électrique
Electronique analogique
DIV
Electronique numérique
Microcontrôleur
Bus de terrain
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DIV - DDV• Processeur double
permet des évolutions
• Commande complètement numérique
courant/pression/position
• I/O numériques et analogiquesraccordement à de nombreuses applications
• Interface bus de terrain
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Interface logiciel
• saturation, limites
• réglage de zéro
• linearisation
• gain en débit variable
• compensation de bande morte
• réglage de la dynamique
• …
CONFIGURATION
VISUALISATION
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Communication par bus de terrain
HMI
Temposonics
Temposonics
Temposonics
Commande centralisée
• simplification de câblage
• uniformité de programmation
• indépendance du fournisseur
• performances dépendantes de la charge sur le bus
• montage série, l'ouverture du bus interrompt toutes les voies.
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Communication par bus de terrain
PLC Programmable ServoControl (PSC)
HMI
Electric AxisController
Fieldbus InterfaceValve
Position Sensor
Fieldbus
1 1 1
Temposonics
T161 CONTROLLER
BRUSHLESSTECHNOLOGY
AXIS
X6
±15V+5V
>400V
3~
160 POWER SUPPLY
BRUSHLESSTECHNOLOGY
ENCODER
Commande distribuée
• performances des axes indépendantes de la charge sur le bus,
• les voies gardent leur état en cas de disfonctionnement du bus ou du PLC,
• diagnostic à distance
• dépendance du fournisseur
• programmation spécifique
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La valve "intelligente"Intégration de la boucle d'asservissement
dans la servovalve
1 1 1
Temposonics
Temposonics
20
La valve "intelligente"
In
Out
Fil ter
Filter In
Hold Clear Set Value Gain Max Min
Out Flag1 Flag2
Integrator
Ki.(I)
In Up Dn Value Reset
Out Flag1 Flag2
Rate Limit
In1
In2
Out
Sum
+ _
Out
Constant
Con
Out
Constant
Con
1
1
2
3
2
Out
Max Flag
In
Start Value
Start Flag
Out
Constant
Con
4
Max Out
Out
Constant
Con
Out
Constant
Con Down Ramp
Up Ramp
Hold Off
Filter I Gain Min Out
Filter Rate Sum1 LP Filter
Integrato r
In Hold Clear Set Value Gain Max Min
Out Flag1 Flag2
Integrator
Ki.(I)
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Application
Contrôle de pas de pale d'éolienne
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Application éolienne
Balluff
Temposonics
-W.DOG
-STATUS
-IDLE
-RESET
Balluff
Temposonics
Balluff
Temposonics
Sliding Ring
3 Pressuretransducers
CANopen
CANopen
PLC
CAN HCAN L
24 V0 V
2 WireCable
Position-Transducer CANopenMoog Valves CANopen
MoogPSC23-Axis Controller
Supply
2 Wire Cable
23
Evolution des pompes àdébit variable
DCP
Electroniquenumérique intégrée
Boucle intégrée
Bus de terrain
Commande électrohydraulique
Electroniqueanalogique déportée
Réglage manuel
24
Régulateur àcommande manuelle
25
Electrohydrauliqueanalogique
Électronique derégulation
sU
sU
AB
PT
p
Q UI
pU
16 bar
Pressure command
Flow command
Commande débit = commande de la cylindrée
Commande pression = limitation du débit pompe
Pompe RKP
Bloc séquence
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Electrohydrauliquenumérique (pQ)
RKP
DSV
SU
B A
T P
SU
A L
PU
BL
Elektronik
11+PE
M12 x 5
Signale+ Supply
M8 x 4
CANopen
M12 x 8
4
5
11+PE
2
4
8
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Pompe RKPCommande analogique
PLC
HMID
/AD
/AD
/A
X.7
X.1
pU
X.6Réglage pression 0..10V (4..20mA)
Réglage débit 0..10V (4..20mA)
Selection de paramètre 0..10V (4..20mA)(option)
CP
U
alimentation 24V DC = X.1
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Pompe RKPcommande CAN-Bus
PLC
HMI
CA
N o
pen
pU
X.6
CP
U
X.3
CAN Bus communication
Power supply 24V DC = X.1
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MaintenanceMise en service
Logiciel de configuration
• réglage et restauration de tous les paramètres de la pompe (16 préréglages),
• configuration de l'interface bus de terrain,
• analyse du comportement (fonction oscilloscope)
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BilanQu’apportent l’électronique numérique et l’informatique aux
composants hydrauliques ?
Intégration de fonctions nouvelles :• surveillance et diagnostic
• sécurité et redondance
• communication et commandes décentralisées
Amélioration des performances :• précision (pas ou peu de dérives)
• contrôle des boucles d’asservissements
• optimisation des réseaux correcteurs (algorithmes avancés)
• modification de paramètres en fonctionnement
• linéarisation, compensation de bande morte
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BilanQu’apportent l’électronique numérique et l’informatique aux
composants hydrauliques ?
Simplification d’utilisation :• disponibilité (produits configurables en stock)
• échanges standards sans réglage complexes
• création d’options à coûts réduits
• facilité de maintenance (maintenance conditionnelle)
• réduction des coûts de câblage
• communication avec les autres composants
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Conclusion
La part électronique et automatique est passée de 25% à 60 % en 10 ans dans les systèmes de production automatisés.
L’intégration de techniques connexes et de métiers nouveaux est d’actualité.
Les nouveaux composants hydrauliques, intelligents et communicants, qui intègrent des circuits électroniques numériques répondent aux évolutions de la pratique industrielle vers la mécatronique.
La mécatronique reste avant tout une discipline de mécaniciens.
A eux de savoir travailler avec d’autres technologies afin de rester maître de leur intégration.