Optimiser la conception d'IHM industrielles avec des dispositifs de commande modulaires de 22 mm

La conception et la mise en œuvre d'une interface homme-machine (IHM) pour les machines industrielles et les systèmes de commande présentent un ensemble unique de défis techniques. Au-delà des fonctionnalités de base, les composants IHM actuels doivent répondre à des exigences strictes en matière de fiabilité opérationnelle, de résistance environnementale et de flexibilité de conception. Pour les ingénieurs en électronique et les intégrateurs de systèmes, le choix des composants a un impact direct non seulement sur l'expérience de l'utilisateur final, mais également sur le coût total de possession (TCO), influençant des facteurs tels que la gestion des stocks, le temps d'installation et la maintenance à long terme.

Cet article technique explore comment une approche modulaire des dispositifs de commande de 22 mm peut répondre à ces défis industriels. En utilisant la série M22 d'Eaton comme étude de cas technique, cet article examine comment la modularité, les fonctionnalités configurables sur le terrain et la construction robuste permettent aux ingénieurs de disposer d'un kit d'outils polyvalent et fiable pour la conception d'IHM.

Cette approche repose sur un système dans lequel de nombreux dispositifs de commande sont construits à partir d'un ensemble commun de composants de panneau arrière. La Figure 1 fournit un aperçu représentatif d'une telle gamme de composants, illustrant la variété des dispositifs de commande et la nature modulaire de leur assemblage.

Figure 1 : Schéma illustrant les composants d'une ligne de dispositifs de commande modulaires de 22 mm. (Source : Eaton)

Défi 1 : durabilité et fiabilité en environnements industriels difficiles

L'un des principaux défis lors de la conception d'interfaces homme-machine industrielles est de garantir la résistance et la fiabilité à long terme des composants dans les environnements difficiles. L'exposition aux liquides, à la poussière, aux huiles, aux agents corrosifs et aux vibrations importantes peut entraîner une défaillance prématurée des composants électromécaniques standard.

Traditionnellement, la spécification des composants pour les environnements difficiles nécessitait d'acheter des pièces spécialisées, souvent coûteuses, conçues pour des conditions spécifiques. Les composants standard avec un indice de protection (IP) plus faible ne conviennent pas aux applications impliquant un nettoyage régulier avec des jets d'eau à haute pression ou présentant une forte concentration de particules en suspension dans l'air. Cela oblige les concepteurs soit à surdimensionner les composants pour toutes les applications, ce qui augmente les coûts, soit à gérer plusieurs niveaux de composants pour différentes conditions environnementales.

Une solution plus efficace consiste à se tourner vers une ligne de composants dont la résistance environnementale élevée est une caractéristique fondamentale. La série M22 d'Eaton, par exemple, est dotée d'indices de protection IP élevés pour tous les produits standard. De nombreux dispositifs de commande, y compris l'interrupteur d'arrêt d'urgence push-pull M22S-PV (Figure 2) et l'interrupteur à bouton-poussoir non lumineux M22S-DR-S (Figure 3), sont répertoriés IP67 et IP69K.

Figure 2 : Dispositif d'arrêt d'urgence push-pull modulaire M22S-PV. (Source de l'image : Eaton)

Figure 3 : Bouton-poussoir M22-DR-S RMQ-Titan. (Source de l'image : Eaton)

L'indice IP67 offre une protection contre l'immersion temporaire dans l'eau. Cette classification est cruciale pour les composants de machines exposés à l'eau stagnante, à de fortes projections d'eau ou à diverses conditions météorologiques extérieures.

L'indice IP69K offre une protection contre les jets d'eau à haute pression et à haute température à courte distance. Il s'agit d'une exigence essentielle dans des secteurs tels que l'agroalimentaire, l'industrie pharmaceutique et les équipements lourds, où des protocoles de nettoyage rigoureux et fréquents sont la norme.

En adoptant des composants dotés de ces caractéristiques, les ingénieurs peuvent concevoir des systèmes capables de résister à des conditions difficiles sans avoir à recourir à des pièces spécialisées, simplifiant ainsi le processus de conception et d'approvisionnement.

Un autre aspect de la fiabilité concerne la source d'éclairage pour les dispositifs de commande lumineux. Les ampoules à incandescence classiques sont sensibles aux chocs mécaniques et aux vibrations et ont une durée de vie limitée, nécessitant un remplacement régulier. La ligne M22, avec des dispositifs de commande comme le bouton-poussoir lumineux M22-DL-X illustré à la Figure 4, répond à ces problèmes en utilisant exclusivement un éclairage LED.

Figure 4 : Bouton-poussoir modulaire M22-DL-X avec éclairage LED. (Source de l'image : Eaton)

Les LED sont par nature résistantes aux chocs et aux vibrations, et offrent une durée de vie opérationnelle nettement plus longue, pouvant atteindre 100 000 heures. Cette longévité élimine le besoin de remplacer les ampoules pendant la durée de vie typique d'une machine, réduisant ainsi les intervalles de maintenance et améliorant le coût total de possession. En outre, la conception optique des lentilles M22 est adaptée à la puissance des LED, garantissant une indication claire et lumineuse, peu affectée par la lumière ambiante.

Défi 2 : optimiser les stocks et réduire le coût total de possession

Pour les équipementiers et les intégrateurs de systèmes, le coût d'un composant ne se limite pas à son prix d'achat initial. La complexité et le coût de gestion des stocks pour un large éventail de pièces fonctionnellement différentes mais physiquement similaires peuvent être considérables. Un panneau de commande typique peut nécessiter des boutons-poussoirs à action momentanée, des boutons-poussoirs à action maintenue et diverses configurations de sélecteurs, chacun correspondant traditionnellement à un numéro de référence unique.

Le stockage de dizaines d'unités de gestion de stock (UGS) à fonction fixe entraîne des coûts de stockage élevés, une complexité accrue dans l'entrepôt et un risque de retard de production si une variante spécifique, moins courante, est en rupture de stock.

Un système modulaire avec des dispositifs de commande convertissables sur le terrain apporte une solution directe à ce défi logistique. Un bouton-poussoir à action maintenue série M22, tel que le M22S-DR-S, peut être converti en dispositif à fonction momentanée par l'installateur. Comme illustré à la Figure 5, il suffit d'ajuster une petite bague de verrouillage accessible sur le côté du dispositif de commande, une fonctionnalité conçue à la fois pour la flexibilité et la facilité d'installation. Grâce à cette caractéristique unique, une seule référence peut remplir le rôle de deux boutons-poussoirs, réduisant ainsi de moitié le stock nécessaire.

Figure 5 : Sélecteur de fonction convertissable sur le terrain (à gauche) et languette anti-rotation pour le montage sécurisé (à droite). (Source de l'image : Eaton)

Pour les interrupteurs à clé, tels que le M22-WRS (Figure 6), ce système détermine les positions auxquelles la clé peut être retirée. De la même manière, un sélecteur rotatif à deux positions standard, tel que le M22-WKV (Figure 7), peut voir sa fonction maintenue modifiée sur le terrain, réduisant davantage le besoin de plusieurs UGS avec des logiques de fonctionnement différentes. Cette adaptabilité permet à quelques UGS de base de répondre à un grand nombre d'exigences logiques spécifiques à une application.

Figure 6 : Sélecteur à clé modulaire à deux positions M22-WRS. (Source de l'image : Eaton)

Figure 7 : Sélecteur modulaire M22-WKV. (Source de l'image : DigiKey)

En adoptant une gamme de composants modulaires et convertissables, les entreprises peuvent considérablement réduire le nombre de références uniques dans leur stock, ce qui se traduit par un coût total de possession inférieur, un approvisionnement simplifié et une flexibilité de conception supérieure.

Défi 3 : intégrer des fonctions de commande et de sécurité avancées dans un espace limité

Avec la complexité croissante des machines industrielles, la densité des fonctions de commande sur les panneaux IHM tend à augmenter. Cependant, l'espace physique sur un panneau de commande est souvent un facteur fixe et précieux. Les ingénieurs sont souvent confrontés à la nécessité d'offrir davantage d'options de commande dans un espace plus réduit sans compromettre la facilité d'utilisation ou la sécurité.

L'approche conventionnelle consistant à utiliser un dispositif de commande standard de 22 mm pour chaque fonction épuise rapidement l'espace disponible sur le panneau, en particulier dans les applications exigeant un contrôle directionnel multi-axes.

Les dispositifs de commande spécialisés qui regroupent plusieurs fonctions dans une seule découpe de panneau de 22 mm constituent une solution efficace.

• Joysticks : pour les applications exigeant un contrôle directionnel, comme le déplacement d'un portique ou d'un convoyeur, un joystick comme le M22-WJ2H illustré à la Figure 8 peut remplacer deux boutons-poussoirs individuels. Cela permet de gagner de la place et d'offrir à l'opérateur une interface de commande plus intuitive.

Figure 8 : Joystick M22-WJ2H. (Source de l'image : Eaton)

• Boutons-poussoirs doubles : pour les commandes marche/arrêt haute densité, un bouton-poussoir double, tel que le M22-DDL-GR-GB1-GB0 (Figure 9), combine deux boutons (typiquement pour MARCHE/ARRÊT) et un voyant central dans une seule unité. Ces composants sont spécialement conçus pour maximiser la densité de commande.

Figure 9 : Bouton-poussoir M22-DDL-GR-GB1-GB0 pour la commande marche/arrêt. (Source de l'image : Eaton)

La sécurité est un aspect fondamental et non négociable de conception IHM. Les circuits d'arrêt d'urgence doivent être fiables et à sécurité intégrée. Une exigence technique clé pour les composants de ces circuits est le concept « d'ouverture positive » (ou action d'ouverture directe) pour les contacts normalement fermés (NC), tel que défini dans la norme CEI/EN 60 947-5-1 de la Commission électrotechnique internationale. Cela garantit que les contacts sont ouverts mécaniquement par le mouvement de l'actionneur, même dans le cas rare d'une soudure des contacts.

Le système M22 comprend une gamme de dispositifs d'arrêt d'urgence conçus pour fonctionner avec ces blocs de contact homologués pour la sécurité. Les types d'actionneurs incluent des modèles push-pull standard (M22S-PV) et des modèles à déverrouillage par clé, tels que le M22-PVS45P, illustré à la Figure 10. La version à déverrouillage par clé offre une couche de sécurité supplémentaire, garantissant qu'une machine ne peut pas être redémarrée après un arrêt d'urgence sans l'autorisation du personnel détenant la clé.

Figure 10 : Dispositif d'arrêt d'urgence modulaire à déverrouillage par clé M22-PVS45P. (Source de l'image : Eaton)

Conclusion

Les défis auxquels sont confrontés les ingénieurs en électronique lors de la conception d'interfaces homme-machine industrielles exigent une solution plus globale que la simple sélection de composants individuels sur la base d'une seule spécification. Un système modulaire et configurable sur le terrain de dispositifs de commande, comme la série M22 d'Eaton, fournit un kit d'outils complet permettant de relever ces défis de manière systémique.

En tirant parti de caractéristiques telles qu'un indice de protection élevé, un éclairage LED à longue durée de vie, des capacités de conversion sur le terrain et un vaste choix de dispositifs de commande spécialisés, les ingénieurs peuvent concevoir des systèmes IHM non seulement fiables et robustes, mais dont la construction et la maintenance sont également rentables. Cette approche de sélection des composants au niveau système se traduit par des cycles de conception plus efficaces, une logistique rationalisée et des produits finis plus sûrs et plus durables.