Présentation de la plate-forme Safetech-Pont-Roulant
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Présentation de la plate-forme Safetech-Pont-Roulant

De manière traditionnelle, le contrôle commande de système est réalisé à partir d’un calculateur central qui collecte l’ensemble des informations relevées sur le système, les traite ensuite pour élaborer un ensemble de commande qui est appliqué au système. Avec le développement des Systèmes de commande en Réseaux (Networked Control System), ainsi que celui des systèmes embarqués (Instruments et/ou Contrôleurs) on s’oriente de plus en plus vers une distribution coopérative des algorithmes de contrôle commande.

Description du Procédé Pilote Pont-Roulant (systèmes de régulation coopératifs et distribués)

La partie opérative de la plate-forme est inspirée des appareils de manutention permettant le levage et le transfert de charges lourdes. Les ponts-roulants sont généralement utilisés pour les manutentions dans les parcs à matières premières et à produits finis dans les gros halls de stockage (déchargements de péniche ou de wagon, rechargements de camions).

 

fig 1 : Partie opérative de la plate-forme Pont-Roulant

Elle est composée de deux moteurs linéaires se déplaçant dans les deux sens sur un axe linéaire de 6 mètres de long. Ces deux moteurs, du fabriquant Hiwin, peuvent atteindre une vitesse maximum de 4 m/s avec une accélération de 5g. La commande des moteurs est réalisée par deux variateurs de vitesse, eux-mêmes pilotés par deux calculateurs embarqués. La barre métallique est fixée de chaque côté via des liaisons pivot aux deux moteurs. L’utilisation des moteurs linéaires permet de contrôler plus facilement les phases d’accélération et de décélération, ainsi que le positionnement. Cette plate-forme permet ainsi d’étudier la synchronisation des 2 moteurs linéaires.

 

fig 2 : Photo du système de la plate-forme Pont-Roulant

 

La conception mécanique de la plate-forme a été réalisée à l’aide d’un logiciel de CAO qui permet entre autre de simuler le fonctionnement de la plate-forme. Les diverses simulations ont permis de valider les choix mécaniques. La conception et la réalisation du câblage électrique ont été entièrement prises en charge par le service « plates-formes expérimentales ».

La construction de la plate-forme Pont-Roulant a été conforme aux Directives Européenne, et aux règles, normes et conseils de l’Institut National de Recherche et Sécurité (INRS). Pour garantir l’intégrité physique des utilisateurs, il a été mis en place une barrière matérielle munie de divers coupe-circuits électrique. Pour finaliser cette démarche, la plate-forme a été certifiée CE.

Partie commande

La plate-forme est pilotée par des composants communiquant par réseau de terrain (CANOpen et Ethernet industriel temps réel), ouverts vers le niveau Entreprise (Ethernet CRAN et Intranet) et potentiellement vers un environnement de type Internet. L’installation est constituée de 2 calculateurs temps-réel National Instruments (NI PXI 1031) permettant de commander les 2 moteurs linéaires du Pont-Roulant à l’aide des variateurs de vitesse (LUST). Le contrôle/commande entre ces 2 systèmes embarqués est coopératif afin de régler les angles (acquis via deux codeurs absolus AWS) lors des oscillations de la barre métallique transportée. La communication est établie à l’aide des 2 modules WIFI National Instrument (NI WAP 3711) pouvant échanger différentes données (vitesses, angles d’oscillation, accélérations …). D’un point de vue électrique, le Pont-Roulant dispose d’un pupitre permettant la mise sous tension, l’arrêt d’urgence et le réarmement des variateurs de vitesse.

 

 

fig 3 : Pupitre de gestion des Ă©nergies

Des balises lumineuses sont aussi présentes pour indiquer l’état de fonctionnement de la plate-forme (en arrêt, en production, en mode dégradé). Un serveur de données situé sur le PC local permet de mettre à disposition l’état des différents composants de la plate-forme (capteurs, actionneurs, moteurs…). Une caméra Web pilotable permet de visualiser à distance et à tout moment le système en fonctionnement. Deux modes d’utilisation sont possibles: Local (prioritaire) ou Distant. En mode Local, la mise en en fonctionnement est gérée via un écran de supervision développé sous le logiciel LabVIEW et en mode Distant, elle peut-être gérée par l’intermédiaire d’un navigateur Internet.


Supervision et architecture de communication

Les deux calculateurs et le serveur de données sont reliés à un réseau de type Ethernet. Ce type de réseau largement vulgarisé permet alors au PC dédié à la conduite en mode local d’accéder aux configurations des composants (programmes, paramètres de fonctionnement) ainsi qu’à leur état et valeurs courants. Ces postes reliés à un réseau local d’entreprise, mettent leurs informations à disposition d’un serveur Web qui ouvre cette architecture vers le réseau Internet pour piloter à distance la plate-forme. Le pilotage de cette plate-forme « Pont-Roulant » peut aussi être réalisé à l’aide d’un PDA Industriel (PsionTeklogix) muni d’une carte Wifi. Cette façon de commander le procédé permet de remplacer avantageusement la manette traditionnelle à fil. La mise en place de deux VLAN (VLAN CRAN et VLAN Manip) permet de structurer les échanges d’informations. Ainsi, le VLAN Manip permet d’isoler les informations temps-réel du procédé tandis que le VLAN CRAN permet d’ouvrir le contrôle de la plate-forme au niveau entreprise. Le serveur de données équipé de deux cartes réseaux peut réaliser cette jonction de la communication.

 

 

fig 4 : Contrôle/commande distribué des équipements industriels

 

Pour développer les stratégies de commande du pont roulant, il convenait en premier lieu de le modéliser. Afin d’établir le modèle mathématique du pont roulant, un schéma simplifié du pont roulant. Le modèle développé est un modèle de connaissance établie directement à partir des lois de la physique sur la base de la configuration de la figure ci-dessous.

 

 

fig.5 : plate-forme pont roulant

où et sont les forces de traction développées par les moteurs, X1 et X2 les positions des moteurs, θ1 et θ2 les angles des barres verticales par rapport à leur position d’équilibre. A partir du Lagrangien du système mécanique, les équations dynamiques du système s’écrivent sous la forme matricielle suivante [9,10]

où X est un vecteur dont les composantes sont X1 , X2 , θ1 et θ2 , E(X) une matrice carrée de dimension 4 dépendant du vecteur X et F une fonction vectorielle non-linéaire des variables . La matrice E(X) étant inversible, le schéma de simulation obtenu à partir du modèle dérivé du Lagrangien se présente comme suit

 

Fig. 6 : Schéma de principe de la simulation du pont roulant

Une difficulté particulière pour la réalisation de ce simulateur provient de la structure fortement non-linéaire de la fonction vectorielle et de la structure analytique extrêmement complexe de l’inverse de la matrice E(X). Cette matrice inverse a été calculée grâce au logiciel de calcul formel MAPLE [11].