Une approche de plateforme unifiée pour optimiser l'évolutivité des machines OEM et faciliter l'intégration des sites existants

Le système de contrôle d'une machine constitue un élément important de sa conception et de sa stratégie commerciale. De nombreuses équipes d'ingénieurs adoptent une approche fragmentée, utilisant plusieurs familles d'automates programmables (PLC) pour différents niveaux de prix de machines et s'appuyant sur des passerelles tierces pour l'intégration des systèmes existants. Cela peut augmenter les coûts liés à l'ingénierie, aux stocks et au support sur le terrain, et donc réduire l'agilité opérationnelle. Une autre solution consiste à utiliser une approche normalisée sur une plateforme unique et unifiée, capable de s'adapter à toutes les applications et de communiquer à la fois avec des protocoles modernes et anciens.

L'utilisation de stratégies disparates peut s'avérer inefficace. La gestion de plusieurs familles d'automates programmables pose des défis logistiques en matière de formation et de gestion des stocks, tout en ajoutant du matériel inutile, de la complexité et des points de défaillance potentiels au système. Mais que se passerait-il si une seule plateforme pouvait mettre complètement fin à ces inconvénients ? Cet article explore une approche de ce type, en utilisant l'écosystème SIMATIC S7-1200 de Siemens comme étude de cas pour répondre aux exigences d'évolutivité et de connectivité.

Le défi de l'évolutivité pour les équipementiers

Les gammes de produits OEM utilisent souvent un modèle « bon, meilleur, optimal », dans lequel la complexité des machines varie en fonction des fonctionnalités incluses. Bien que cette approche soit logique, le défi consiste à spécifier un système de contrôle qui soit rentable pour les modèles d'entrée de gamme, tout en étant suffisamment performant pour les versions haut de gamme. À cette fin, voici quelques-unes des solutions couramment utilisées.

1. Plateformes de contrôle multiples : L'utilisation de différents automates programmables pour chaque niveau de machine peut sembler rentable par unité, mais peut générer des coûts en aval en termes de formation, de programmation et de stock de pièces détachées. Cette approche oblige les ingénieurs à maîtriser plusieurs environnements de programmation et nécessite un stock de pièces détachées plus important et plus complexe, tant pour les équipementiers que pour l'utilisateur final.
2. Automate programmable surdimensionné et à entrées/sorties fixes : Le choix d'un seul automate programmable de grande taille simplifie la programmation, mais peut rendre les modèles d'entrée de gamme moins compétitifs en raison du coût de la nomenclature pour la capacité inutilisée. Cette approche offre également une flexibilité limitée en vue de modifications futures. Si un client n'a besoin que d'un seul capteur supplémentaire et que tous les points d'E/S fixes sont attribués, une nouvelle conception coûteuse et fastidieuse peut s'avérer nécessaire.

Une solution pratique consiste à utiliser une plateforme de contrôle modulaire, dotée d'un processeur central qui peut être configuré avec précision avec les E/S nécessaires pour chaque variante de machine.

Relever le défi de la connectivité des sites existants

Comment une machine ultramoderne peut-elle communiquer efficacement dans un atelier d'usine dont les installations reposent sur d'anciennes technologies ? C'est là le cœur du dilemme auquel sont confrontés les intégrateurs de systèmes dans les sites existants, où les nouvelles machines utilisant des protocoles modernes, tels que PROFINET, doivent souvent s'intégrer à des équipements existants qui reposent sur des protocoles série, comme Modbus RTU. Pour ce faire, les nouveaux systèmes doivent communiquer avec les anciens variateurs de fréquence, les balances et d'autres dispositifs par le biais d'une communication série RS-485. Voici deux solutions couramment utilisées pour résoudre ces problèmes :

1. Passerelles de protocole tierces : Une passerelle externe peut assurer la conversion entre PROFINET et Modbus RTU, mais elle entraîne des coûts matériels supplémentaires, introduit un point de défaillance potentiel et nécessite un outil logiciel distinct pour la configuration. Le mappage des données entre les deux systèmes peut s'avérer fastidieux, et le dépannage des problèmes de communication se transforme en une opération complexe consistant à diagnostiquer deux dispositifs distincts, provenant souvent de fabricants différents.
2. PC industriels (IPC) avec code personnalisé : Un IPC exécutant un logiciel de communication personnalisé peut s'avérer une solution efficace, mais coûteuse et complexe, qui introduit la maintenance du système d'exploitation du PC dans l'atelier de production. Cette stratégie nécessite des compétences spécialisées en informatique et en développement de logiciels qui ne sont pas toujours réunies au sein d'une équipe d'automatisation traditionnelle et peut conduire à des solutions fragiles et difficiles à maintenir.

Un contrôleur moderne doit prendre en charge les communications existantes en tant que fonctionnalités natives afin de simplifier l'architecture et centraliser la configuration.

Une solution unifiée : la plateforme SIMATIC S7-1200

La série SIMATIC S7-1200 de Siemens, configurée dans le portail Totally Integrated Automation (TIA), est conçue pour relever ces défis. Il s'agit d'une plateforme homogène dont les composants offrent une gamme de fonctions et de caractéristiques hautes performances. La Figure 1 illustre un exemple de contrôleur de module PLC, en mettant en évidence ses différents composants.

Figure 1 : Contrôleur de module PLC SIMATIC S7-1200 de Siemens, composé d'une unité centrale intégrée, de broches d'E/S intégrées, de voyants d'état à LED et de connecteurs. (Source de l'image : Siemens)

Le cœur : une unité centrale performante, robuste et flexible

Au cœur d'un système S7-1200 se trouve une unité centrale compacte. L'unité centrale 1214C, par exemple, offre une vitesse d'exécution booléenne de 0,08 µs/instruction et dispose d'une mémoire de travail de 100/150 Ko pour une exécution rapide des programmes. À cela s'ajoutent une mémoire de charge généreuse de 4 Mo pour stocker l'intégralité du projet (y compris les symboles et les commentaires) et une mémoire rémanente de 14 Ko pour sauvegarder en toute sécurité les données critiques de la machine lors d'un cycle d'alimentation. Son port PROFINET intégré prend en charge un maximum de 16 connexions Ethernet, fonctionnant comme un contrôleur d'E/S pour un réseau moderne de dispositifs de terrain, comme illustré à la Figure 2.

Figure 2 : Exemple d'un contrôleur PROFINET IO et d'une topologie de périphériques IO utilisant une unité centrale SIMATIC. (Source de l'image : Siemens)

Au-delà de la logique, l'unité centrale intègre six compteurs indépendants à haute vitesse, capables de traiter des trains d'impulsions jusqu'à 100 kHz, ce qui en fait la solution idéale pour les tâches de mesure et de positionnement précises à l'aide de codeurs. En outre, l'unité centrale 1214C dispose de deux entrées analogiques intégrées (0-10 V), offrant une capacité intégrée pour la détection analogique de base sans nécessiter de modules supplémentaires. La conception physique de l'unité est adaptée à la réalité industrielle, avec une plage de températures de fonctionnement nominales comprise entre -20°C et +60°C, et une capacité à résister à des vibrations pouvant atteindre 2 g (montage mural), ce qui garantit un fonctionnement fiable dans des environnements exigeants.

L'unité centrale est disponible en plusieurs variantes afin de s'adapter à toutes les infrastructures d'alimentation. Le dispositif 6ES7214-1AG40-0XB0 est un modèle CC/CC pour les systèmes de 24 VCC standard, tandis que le dispositif 6ES7214-1BG40-0XB0 (CA/CC/relais) peut être alimenté à partir d'une source de 120/230 VCA, ce qui permet de gagner de l'espace et de réduire les coûts en éliminant le besoin d'une alimentation distincte. Le modèle 6ES7214-1AG40-0XB0 dispose également de quatre sorties de train d'impulsions pour le contrôle en boucle ouverte de la vitesse et de la position des moteurs pas-à-pas, ce qui réduit la nécessité de contrôleurs de mouvement spécialisés dans les applications les plus simples.

Résoudre le problème de l'évolutivité grâce à des E/S granulaires et hautes performances

L'une des fonctionnalités clés du S7-1200 tient à sa modularité. L'unité centrale peut être complétée par des cartes de signaux (SB) pour des ajouts mineurs et par des modules de signaux (SM) pour des besoins d'E/S plus importants, ce qui permet d'optimiser la nomenclature en fonction de l'application.

Modèle de base : Les 14 entrées et 10 sorties numériques intégrées de l'unité centrale 1214C suffisent généralement pour les machines d'entrée de gamme, offrant ainsi un point de départ optimisé en termes de coûts.

Modèle de niveau intermédiaire : Pour ajouter un signal analogique de 0 à 10 V afin de commander un variateur de fréquence, il est possible d'utiliser la carte de signaux SB 1232 6ES7232-4HA30-0XB0, illustrée à la Figure 3. Elle se fixe directement sur l'unité centrale et fournit une sortie analogique unique avec une résolution de 12 bits et un temps de conversion impressionnant de 300 µs.

Cette vitesse est cruciale pour les applications qui nécessitent un pilotage réactif des vannes proportionnelles ou d'autres actionneurs analogiques. Le module peut piloter des charges d'une impédance minimale de 1000 Ω sur une longueur de câble blindé pouvant atteindre 100 m, ajoutant ainsi une fonctionnalité essentielle sans augmenter l'empreinte du contrôleur.

Figure 3 : Carte de signaux SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 pour les E/S supplémentaires de l'unité centrale SIMATIC S7-1200. (Source de l'image : Siemens)

Modèle haut de gamme : Pour commander un collecteur de vannes à 16 points, le module de signaux SM 1222 6ES7222-1BH32-0XB0 (Figure 4) fournit 16 sorties numériques à transistor, chacune d'une valeur nominale de 0,5 A. Pour les ingénieurs, il est important de noter que le module limite la tension de coupure inductive à une valeur typique de (L+)-48 V, ce qui contribue à protéger les sorties contre la force contre-électromotrice lors de la commutation de charges inductives, telles que les solénoïdes.

Figure 4 : Module de signaux SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 avec 16 sorties à transistor dotées d'une limitation de la tension de coupure inductive. (Source de l'image : Siemens)

Pour un contrôle analogique avancé, le module de signaux SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 (Figure 5) offre quatre canaux de sortie analogique de haute précision. Chaque canal peut être configuré pour la tension (+/-10 V avec une résolution de 14 bits) ou le courant (0-20 mA avec une résolution de 13 bits). Il intègre des fonctions de diagnostic pour les défauts électriques tels que les ruptures de câbles et les courts-circuits, ce qui permet au programme de l'automate PLC de détecter les défauts de câblage et les problèmes de sortie potentiels, augmentant ainsi le temps de fonctionnement et la fiabilité de la machine.

Figure 5 : Module de signaux SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 à commande analogique, avec diagnostics intégrés pour les défauts de rupture de câbles et les courts-circuits. (Source de l'image : Siemens)

Résoudre le problème de la connectivité grâce à des communications intégrées

Pour l'intégration au sein d'une installation existante, la carte de communication CB 1241 RS485 6ES7241-1CH30-1XB0 se connecte directement sur l'unité centrale. Elle fournit un port série RS-485 physique sans augmenter les dimensions du système, comme illustré à la Figure 6.

Figure 6 : Configurations de terminaison et de polarisation pour le réseau de communication RS-485. (Source de l'image : Siemens)

Le port prend en charge des vitesses de communication allant jusqu'à 115,2 kbps sur une distance de 1000 m. La véritable intégration se situe au niveau du logiciel. Le portail TIA comprend des instructions de bibliothèque non seulement pour Modbus RTU (maître et esclave), mais aussi pour la communication Freeport (ASCII), ce qui est idéal pour les dispositifs simples tels que les lecteurs de codes-barres, et le protocole USS pour la communication avec les variateurs de Siemens.

La configuration est entièrement gérée dans le cadre du projet TIA Portal, les données série étant mappées directement dans un bloc de données de l'automate programmable. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser des outils de configuration externes, ce qui simplifie l'architecture du réseau. Pour la maintenance, la carte comprend des voyants LED de diagnostic pour les signaux d'émission (TxD) et de réception (RxD), ce qui permet de visualiser d'un seul coup d'œil l'activité de communication et de simplifier le dépannage sur site.

Conclusion

Les principaux défis auxquels sont confrontés les ingénieurs en automatisation concernent la gestion de la complexité et la conception de solutions agiles. La normalisation sur une plateforme de contrôle telle que SIMATIC S7-1200 de Siemens permet de répondre à cette problématique. En associant un processeur performant tel que l'unité centrale 1214C à un écosystème flexible d'E/S modulaires, du SB 1232 au SM 1222 en passant par le SM 1232, les équipementiers OEM peuvent créer une architecture de contrôle unique et évolutive, adaptée à une large gamme de prix de machines.

En utilisant des options de communication intégrées telles que le CB 1241, les intégrateurs de systèmes peuvent réduire la complexité des passerelles externes. Cette approche unifiée, configurée dans l'environnement TIA Portal, permet de réduire le temps d'ingénierie, de minimiser les stocks et d'aboutir à des solutions d'automatisation robustes et flexibles.