Capteurs, actionneurs et autres composantes d’un système de commande GOL 510, Cours 01 d Organisation flexible de la production (4cr.) Session : AUTOMNE 2007 La notion de système de production doit être vue au sens large de système industriel manufacturier ou de processus à caractère discret, continu ou hybride, et doit intégrer les principaux processus fonctionnels : définition et mise en œuvre des stratégies d’entreprise, conception des produits et des systèmes de production, conduite et gestion de ces systèmes. Elle peut prendre en compte la notion de production de services (hôpitaux, banques, grande distribution...) et inclure les secteurs du bâtiment et des transports. Par ailleurs, on se place dans un cadre de coopération homme - machine, en rejetant l’idée de l’usine sans homme, pour aboutir au postulat inverse selon lequel la technologie ne peut résoudre tous les problèmes sans être confrontée à la capacité limitée des investissements, aux marchés très concurrentiels, et surtout en considérant la nécessaire prise en compte du travail de l’homme. La compréhension des systèmes de production nécessite donc que soient combinés différents points de vue : organisationnel, social, économique et technologique. L’étude d’un système de production est nécessairement multiple par la variété des problèmes posés et des disciplines mises en œuvre : elle requiert donc une approche système pour en appréhender toutes les facettes. La Majeure Génie des Systèmes de Production délivre une formation appliquée dont l'objectif est de préparer des ingénieurs aptes à organiser et à mettre en œuvre des projets faisant appel aux diverses techniques du Génie industriel. Elle s'intéresse particulièrement au cycle de vie des produits manufacturés. Cette formation développe une méthode de pensée rigoureuse et critique ainsi que les capacités suivantes : Concevoir et innover. Fabriquer et sous-traiter. Modifier et optimiser un environnement industriel. Communiquer et manager. Travailler seul et en équipe. Elle vise une approche SYSTÈME basée sur une polycompétence affirmée et judicieusement ajustée permettant de se positionner rapidement et efficacement dans des équipes projets ou des organigrammes techniques. Le futur Ingénieur en systèmes de production sera appelé à faire carrière dans des secteurs très diversifiés : L'aéronautique. L'automobile. Le transport. La transformation des métaux. Etc. Les industries de l'emballage. La mécanique du bâtiment. L'électronique. L'ingénierie industrielle. Le choix personnalisé des modules optionnels et des sujets de stages et de projets permettront à l'élève-ingénieur de se positionner sur un spectre de métiers très large. Programme de baccalauréat en génie des opérations et de la logistique École de technologie supérieure, Montréal, QC.

Bibliographie Source de cette présentation: “Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing”, Mikell P. Groover

Plan de la présentation Introduction Capteurs Actionneurs Conversion analogique-numérique Conversion numérique-analogique Conclusions

Introduction Pour la commande d’un système automatisé, un ordinateur doit collecter des données et transmettre des signaux au processus de production Les paramètres et variables d’un processus peuvent être continus ou discrets; alors qu’un ordinateur opère exclusivement avec des données discrètes (binaires) Nécessité d’adaptation (conversion) entre des données numériques et des données analogiques à l’interface ordinateur-processus

Introduction Les composantes d’une telle interface Capteurs pour la mesure de variables continues et discrètes Actionneurs qui pilotent les paramètres continus et discrets du processus Dispositifs de conversion D’un signal analogique en données numériques D’une donnée numérique en signaux analogiques Périphériques d’entrée / sortie pour des données discrètes

Capteurs Généralement, un dispositif de mesure est composé d’un capteur: détecte la variable physique visée Transducteur: convertit la variable physique en une autre forme (signal électrique) Un étalonnage est souvent nécessaire pour que le signal délivré corresponde à la mesure de la variable; il constitue l’un des critères de choix du capteur Caractéristique désirée Définitions et commentaires Grande exactitude Erreurs systématiques minimes Grande précision La variabilité aléatoire ou le bruit dans la mesure sont minimes Large plage de fonctionnement Exactitude et précision pour un large éventail de valeurs mesurées Vitesse de réponse élevée Capacité du système à répondre rapidement aux changements dans la valeur de la variable physique mesurée Facilité d’étalonnage Étalonnage rapide et facile Dérapage minimal La perte de précision avec le temps doit être minime Grande fiabilité Le moins de pannes et de dysfonctionnements possibles. Bon fonctionnement dans les conditions défavorables Coût peu élevé Coût moins élevé que les données fournies par le capteur

Capteurs - classification - Dispositif de mesure Analogique Discret Binaire Numérique Signal continu analogique Ex. couple thermoélectrique Signal ne pouvant avoir que certaines valeurs discrètes Signal du type On/Off Ex. commutateur de proximité Signal du type bits d’état parallèles, ou série d’impulsions

Capteurs - dispositifs les plus utilisés en automatisation - Dispositif de mesure Type Description Accéléromètre Analogique Mesure de vibrations et de choc Ampèremètre Mesure de l’intensité de courant Tachymètre Produit une tension électrique proportionnelle à la vitesse de rotation Dynamomètre Mesure de force, puissance, couple de torsion Fluidimètre Mesure du flux de liquide Interrupteur fin de course Binaire Un bras de levier ou un bouton poussoir ouvre ou ferme un contact électrique Manomètre Mesure la pression d’un gaz ou d’un liquide Codeur optique Numérique Mesure la position et / ou la vitesse Photomètre Mesure la luminosité et l’intensité lumineuse Piézoélectrique Produit un signal électrique proportionnel à l’effort Détecteur de proximité Produit un signal lorsqu’un objet Table 5.3 pages 109-110 du livre de référence

Actionneurs Un actionneur est un dispositif matériel qui convertit un signal de commande en changement d’un paramètre physique; ce dernier est souvent mécanique (position, vitesse) Un actionneur est un transducteur; en effet, il change une quantité physique d’un type à un autre type de quantité physique (électrique → vitesse rotationnelle) Le signal de commande étant faible, un amplificateur est souvent nécessaire avec l’actionneur

Actionneurs Classification des actionneurs Électriques Hydrauliques Les plus utilisés, peuvent être linéaires ou rotationnels (ex. moteurs AC et DC) Hydrauliques Utilisent des fluides pour amplifier le signal de commande, peuvent être linéaires ou rotationnels, utilisés lorsqu’on a besoin d’un très grand effort Pneumatiques Utilisent l’air comprimé pour amplifier le signal de commande, peuvent être linéaires ou rotationnels, utilisés pour des applications demandant des efforts relativement bas (par comparaison avec les actionneurs hydrauliques)

Actionneurs - dispositifs les plus utilisés en automatisation - description Moteur à courant continu Moteur rotatif électromagnétique utilisant un courant continu en entrée. Délivre un mouvement de rotation Piston hydraulique Piston dans un cylindre exerçant une force et fournissant un mouvement linéaire dû à la pression hydraulique Moteur asynchrone Moteur rotatif électromagnétique utilisant un courant alternatif en entrée. Délivre un mouvement de rotation Moteur à induction linéaire Moteur électromagnétique linéaire. Utilise un courant alternatif en entrée Vérin pneumatique Piston dans un cylindre exerçant une force et fournissant un mouvement linéaire dû à la pression de l’air Commutateur à relais Commutateur de type (on/off). Ouvre et ferme selon la force magnétique Solénoïde Électro-aimant à noyau plongeur qui commande, lorsqu'il est alimenté, le déplacement du lanceur et la mise sous tension du démarreur Moteur pas à pas Moteur rotatif électromagnétique. L’angle de rotation est proportionnel aux impulsions reçues

Actionneurs Piston hydraulique Moteur à courant continu Moteur asynchrone Moteur pas-à-pas Moteur à induction linéaire

Conversion analogique-numérique Analog-to-digital Conversion (ADC) Les signaux analogiques du processus doivent être convertis en valeurs numériques en vue d’être utilisés par l’ordinateur La procédure de conversion nécessite les dispositifs et les étapes suivantes: Capteur et transducteur C’est le dispositif de mesure générant le signal analogique Prétraitement du signal Tel que le filtrage du bruit ou la conversion en signal électrique Multiplexeur Dispositif de commutation entre plusieurs signaux analogiques Amplificateur Dispositif utilisé pour ajuster le signal d’entrée en vue d’être compatible avec la gamme tolérée par le ADC Convertisseur analogique-numérique Convertit le signal d’entrée en signal numérique

Conversion analogique-numérique Processus 1 2 3 5 Capteur et transducteur Prétraitement du signal Autres signaux Multiplexeur 4 Amplificateur Convertisseur ADC Signal numérique vers l’ordinateur

Conversion analogique-numérique La conversion analogique numérique se fait en trois (3) phases Échantillonnage Convertit le signal continu en une série de signaux analogiques discrets à des intervalles de temps donnés Quantification Chaque signal analogique discret est assigné à l’un des niveaux d’amplitude définis Codage Convertit les niveaux d’amplitude discrets obtenus lors de la quantification en code numérique représentant le niveau d’amplitude comme une séquence de chiffres binaires Temps Variable Signal analogique Signal discret échantillonné Échantillonnage d’un signal analogique

Conversion analogique-numérique Les facteurs à prendre en compte lors du choix d’un convertisseur analogique-numérique: Fréquence d’échantillonnage Intervalle entre les relevés de valeur du signal continu Temps de conversion Temps écoulé entre la réception du signal d’entrée et la détermination de la valeur numérique Résolution Précision de l’évaluation du signal d’entrée, influencée par le nombre de niveaux de quantification Méthode de conversion La méthode qui permet d’encoder le signal analogique en signal numérique

Conversion analogique-numérique - Résolution - Nombre de niveaux de quantification Nq: nombre de niveaux de quantification n: nombre de bits Résolution RADC: Résolution du convertisseur ADC Plage: intervalle de valeurs acceptés par le ADC

Conversion analogique-numérique - Résolution - Erreur de quantification la valeur réelle du signal analogique peut ne pas correspondre à un niveau de quantification, ceci génère une erreur maximale donnée par

Conversion analogique-numérique Méthodes de conversion (exemple) La méthode dite d’approximation successive est la plus utilisée Une série de valeurs de voltage est successivement comparée à la valeur connue du signal d’entrée Le nombre d’essais (comparaisons) est égal au nombre de bits utilisés pour le codage La première valeur du voltage est la moitié de la plage de valeurs supportées par le convertisseur La valeur de voltage suivante est la moitié de la valeur précédente Les restes sont comparés à la valeur du voltage reste > valeur de voltage → bit = 1 reste < valeur de voltage → bit = 0 Les valeurs successives des bits ainsi obtenus multipliées par les valeurs de voltages correspondantes donnent la valeur codée du signal d’entrée

Conversion analogique-numérique - Exemple - Données Signal d’entrée = 6.8V Codage en six (6) bits (registre de 6 bits) La plage du convertisseur ADC = 10V Codage avec la méthode d’approximations successives Solution Codage en six bits => six (6) essais Plage du ADC=10 V => la valeur du voltage au premier essai est de 5 V Les valeurs des voltages successifs sont 2.5, 1.25, 0.625, 0.312 et 0.156 V

Conversion analogique-numérique - Exemple - Solution Essai Valeur de voltage (V) Reste Comparaison Bit (0 ou 1) 1 5 6.8 6.8 > 5 2 2.5 6.8–5=1.8 1.8 < 2.5 3 1.25 1.8 1.8 > 1.25 4 0.625 1.8–1.25=0.55 0.55 < 0.625 0.312 0.55 0.55 > 0.312 6 0.156 0.55-0.312=0.238 0.238 > 0.238 La valeur numérique est donc 101011 La valeur codée est: 1*5+0*2.5+1*1.25+0*0.325+1*0.312+1*0.156=6.718

Conversion numérique-analogique Digital-to-Analog Conversion (DAC) Les signaux numériques de l’ordinateur doivent être convertis en valeurs analogiques en vue d’être utilisés l’actionneur ou tout autre dispositif analogique La procédure de conversion se fait en deux étapes Décodage Le signal numérique de l’ordinateur est converti en une série de de valeurs analogiques discrètes Maintien de données Chaque série de valeurs est convertie en un signal continu

Conversion numérique-analogique - Décodage - Le voltage correspondant au code dans le registre est donné par E0: voltage issu de l’étape de décodage Eref: voltage de référence B1, B2,…, Bn: bits successifs du registre (0 ou 1) n: nombre de bits dans le registre (E1)

Conversion numérique-analogique - Maintien de données - Approximation de l’enveloppe formée par les séries de données Utilisation de méthodes d’extrapolation Maintien d’ordre zéro le voltage entre les intervalles d’échantillonnage est une série de signaux-échelons E(t): voltage en fonction du temps durant un intervalle d’échantillonnage (V) E0: voltage issu de l’étape de décodage (déterminé par E1)

Conversion numérique-analogique - Maintien de données - Utilisation de méthodes d’extrapolation Maintien d’ordre un le voltage entre les intervalles d’échantillonnage change avec une pente constante sur l’intervalle E(t): voltage en fonction du temps durant un intervalle d’échantillonnage (V) E0: voltage issu de l’étape de décodage (déterminé par E1) au début de l’intervalle considéré α: pente déterminée par Valeur du voltage calculée avec (E1) au début de l’intervalle d’échantillonnage précédent Temps entre les instants d’échantillonnage

Conversion numérique-analogique - Exemple - Données Voltage de référence = 100V Codage en six (6) bits (registre de 6 bits) Trois (3) instants d’échantillonnage séparés de 0.5 sec Il s’agit de déterminer Le voltage aux trois (3) instants d’échantillonnage Le voltage entre les instants 2 et 3 en utilisant un maintien d’ordre 0, puis d’ordre 1 Instant Données binaires 1 101000 2 101010 3 101101

Conversion numérique-analogique - Exemple - Solution Voltages aux instants d’échantillonnage Voltages entre les instants t2 et t3 Avec un maintien d’ordre 0 Avec un maintien d’ordre 1

Conclusion Lecture suggérée: Livre de référence (chapitre 5, pages 107 à 117)