Hydraulique et Mécatronique :vers des composants

"intelligents"

6ème Rencontre Nationale des Mécaniciens du CNRS

Nouan le Fuzelier 26 – 29 septembre 2005

Michel Blot

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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

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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

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Asservissement électrohydraulique

ampli servovalve vérin

capteur

Uc +

-Up

i Q X

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Servovalveélectrohydraulique

Définition : Organe de contrôle proportionnel d’un débit ou d’une pression par un signal électrique.

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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)

21

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

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Evolution des pompes àdébit variable

DCP

Electroniquenumérique intégrée

Boucle intégrée

Bus de terrain

Commande électrohydraulique

Electroniqueanalogique déportée

Réglage manuel

24

Régulateur àcommande manuelle

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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.