L’Industrie 4.0 annonce une nouvelle ère de développement industriel qui s’appuie sur les fondations posées par les première, deuxième et troisième révolutions industrielles.
Cet article explique comment les pratiques industrielles et de fabrication classiques ont évolué vers des technologies innovantes modernes telles que l’automatisation. Les capteurs intelligents, qui sont les tout premiers points de collecte de données sur le réseau IoT (Internet des objets), jouent un rôle essentiel dans cette avancée. Ils fournissent les données brutes qui permettent aux systèmes de commande de prendre des décisions éclairées. La combinaison des technologies des capteurs intelligents et de l’IoT a permis le développement de nombreuses applications basées sur la détection. Les capteurs sont notamment capables de surveiller les performances des machines et les conditions environnementales, et même de détecter la présence de personnes et d’objets. Cet article explique comment les capteurs favorisent l’efficacité, l’évolutivité et la flexibilité des opérations industrielles.
L’impact des capteurs intelligents dans l’Industrie 4.0 : robotique, maintenance prédictive, sécurité fonctionnelle
Les chaînes de fabrication modernes sont capables de détecter la distance, les dimensions, la forme, la composition et la surface d’un objet à fabriquer, tout en suivant avec précision ses mouvements. Les capteurs industriels sont dotés de technologies telles que le temps de vol, la détection radar, la surveillance de pression, l’imagerie CMOS, la détection de courant et les microphones MEMS, dédiées à la capture de données avec une précision et une fiabilité maximales. Les capteurs industriels peuvent détecter la position et la vitesse. En plus des chaînes de fabrication, les capteurs jouent également un rôle crucial dans les domaines des systèmes CVC, de la robotique industrielle, de la maintenance prédictive et de la sécurité. Ils font partie intégrante des systèmes de chauffage, ventilation, climatisation et réfrigération (CVCR), où ils permettent de maintenir une température intérieure adaptée et d’améliorer l’efficacité des systèmes en assurant leur intégration à des systèmes d’automatisation des bâtiments. Les capteurs collectent également les données de robots industriels destinées à l’automatisation des environnements industriels.
Systèmes CVC : les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation classiques reposent généralement sur des capteurs de température et de pression. Avec l’avènement de l’Industrie 4.0, le nombre de capteurs se multiplie, avec pour conséquence une surveillance améliorée et une précision accrue. C’est ainsi que l’on intègre, par exemple, des capteurs d’humidité et de gaz dans les systèmes CVC. Ces installations limitent les pannes de capteurs pouvant entraîner une baisse de l’efficacité, un fonctionnement irrégulier et un contrôle environnemental incohérent au sein des infrastructures. Les capteurs modernes sont dotés de fonctionnalités permettant d’éviter les erreurs de mesure. Par exemple, les capteurs de pression à montage sur carte utilisés dans les systèmes de traitement de l’air fonctionnent dans une plage de température limitée. Pourtant, ces capteurs de pression différentielle sont capables de mesurer avec précision le débit volumétrique de l’air avec un fonctionnement à seulement quelques millibars. En outre, le système CVC surveille les pressions de réfrigérant ou de liquide/gaz dans certaines applications, dans le cadre d’un système de refroidissement ou de chauffage. En fonction de l’application, ces systèmes peuvent subir des variations rapides de température, ce qui nécessite une fiabilité maximale des capteurs.
Modèles LHD, LME et LMI de TE
Figure 1 : Série LMI – Capteurs de très basse pression différentielle numériques (Source)
Les capteurs de pression de la série LMI (illustrée à la figure 1) se basent sur la mesure du débit thermique pour détecter les plages de très basse pression, entre 25 et 5 000Pa (entre 0,1 et 20inH2O). Leur conception garantit une impédance de débit élevée et une fuite de débit minimale, ce qui se traduit par une sensibilité supérieure, en particulier à très basse pression. Même en cas d’utilisation de tubes longs, ces capteurs peuvent conserver leur sensibilité sans aucune perte. Ils sont dotés de sondes de température intégrées et emploient des techniques de compensation du décalage et de linéarisation en temps réel. Leur sortie I²C numérique linéarisée avec conversion A/N sigma-delta 16bits assure des relevés précis.
Le volume interne réduit des capteurs de pression de la série LMI permet une réponse rapide aux changements de mélange gazeux tout en maintenant une impédance pneumatique élevée. L’équation suivante permet d’estimer le temps de purge (TP) : 1.
Un capteur de pression plus robuste et étanche est requis dans les environnements à haute pression et très corrosifs. TE propose le M3200, un capteur de pression conçu à l’aide de la technologie de microfusion. Cette technologie utilise des jauges de contrainte piézorésistives en silicone micro-usinées avec un verre haute température fusionné à un diaphragme en acier inoxydable. Ces jauges sont fabriquées en acier inoxydable massif, ce qui élimine les soudures et les joints toriques en contact avec le fluide sous pression, pour une utilisation avec une large gamme de liquides et de réfrigérants. Ce capteur possède des coefficients de correction enregistrés dans la mémoire embarquée et utilise un circuit numérique pour corriger le signal de pression brut à plusieurs emplacements sur la plage de fonctionnement. Le mécanisme de correction garantit une lecture précise à différentes pressions et températures. Les capteurs de pression situés dans les systèmes CVC d’un environnement relevant de l’Industrie 4.0 surveillent les fluctuations de pression et les anomalies en temps réel. Les algorithmes de maintenance prédictive analysent ces données pour identifier les tendances ou les schémas de défaillances liées à l’équipement. Par exemple, une chute soudaine de la pression d’air peut être le signe d’une fuite dans le système. Une détection précoce de tels problèmes permet aux équipes de maintenance de les résoudre avant qu’ils n’entraînent des temps d’arrêt de la production ou des réparations coûteuses. Pour en savoir plus sur les capteurs de pression et les systèmes CVC, cliquez ici.
Robots industriels : les industries ont besoin de solutions qui leur garantissent des opérations précises, sures et rentables. Avec l’essor de l’Industrie 4.0, les robots sont devenus des éléments essentiels des usines, car ils améliorent l’efficacité, la rentabilité et la production. Les robots sont capables d’effectuer des opérations de transfert, de manipulation de matériaux, de soudage par points, d’assemblage, etc. Toutes ces tâches se développent à mesure que l’automatisation robotisée progresse, poussée par la technologie de détection qui assure la collecte de données, transformant ainsi les usines de fabrication en installations connectées rentables et fiables. Les capteurs de force, de température, de pression et de position fournissent des mesures extrêmement précises, pour un contrôle affiné des mouvements et une surveillance précise des composants du système. Pour relever davantage de défis dans l’environnement industriel, la précision est un facteur essentiel à prendre en compte.
Par exemple, dans le domaine de la robotique collaborative, les capteurs doivent non seulement être capables de détecter la présence de personnes à proximité, mais également d’empêcher toute collision avec eux. Les environnements industriels nécessitent des capteurs avec des plages de détection et des résolutions variables, capables de résister aux environnements les plus difficiles.
Les capteurs de position dotés de la technologie de magnétorésistance anisotrope (AMR) assurent des mesures fiables et très précises dans les environnements extrêmes, même en cas de températures élevées. Ces capteurs sont essentiels dans de nombreuses applications robotiques industrielles. Les environnements exigeants, tels que ceux exposés à l’huile, à la saleté et à la poussière, nécessitent des capteurs de pointe. Ces derniers doivent être capables de fonctionner dans des conditions toxiques et doivent être équipés de boîtiers flexibles permettant plusieurs sens d’installation afin de faciliter leur intégration dans presque tous les processus d’assemblage automatisés.
Figure 2 : Circuits intégrés pour capteurs magnétorésistifs SM351RT, SM451R, SM353RT, SM453R (Source)
Les capteurs magnétorésistifs Honeywell de la série Standard Power, illustrés à la figure 2, sont des dispositifs ultra-sensibles conçus pour les applications qui requièrent une surveillance de vitesse ou de position durable et fiable dans de grands entrefers ou de petits champs magnétiques dans des conditions d’alimentation standard (généralement entre 3Vdc et 24Vdc). L’identification de la polarité de l’aimant est inutile car le capteur répond au pôle nord ou sud, ce qui simplifie l’installation et réduit les coûts globaux.
Usines intelligentes et Internet industriel des objets (capteurs IoT)
Une usine intelligente est une structure numérique qui collecte et partage des données entre des machines, des systèmes de production et des appareils interconnectés. L’Internet industriel des objets (IIoT), quant à lui, désigne la dernière tendance ayant un impact sur les innovations en matière de connectivité et d’optimisation des machines. L’IIoT, constitué de capteurs et de technologies de prise de décision intelligente, révolutionne l’industrie grâce à l’automatisation intelligente.
La construction d’une infrastructure d’usine intelligente contenant des capteurs et des processus d’automatisation industriels se traduit par une augmentation de la production, une réduction des coûts d’exploitation et une optimisation de l’utilisation des actifs. Les capteurs IIoT intelligents permettent de relever des mesures, de prévoir les pannes avant même qu’elles ne surviennent, de surveiller différents niveaux et d’améliorer les fonctions intelligentes. La mise en œuvre de capteurs IIoT exige des mesures précises dans des environnements et des conditions difficiles afin d’assurer une transmission efficace des données de détection à divers équipements et processus connectés. Des capteurs compacts capables d’émettre plusieurs signaux de sortie numériques aux technologies de détection sans fil incluant des capteurs d’humidité, des capteurs de vibrations, des capteurs de proximité, des capteurs de gaz et des capteurs de surveillance du courant, les capteurs de sécurité sont employés dans un très grand nombre de solutions afin de faire passer les usines intelligentes à l’Industrie 4.0 et à l’Internet industriel des objets (IIoT).
Une solution IoT est constituée de composants microélectroniques tels que des capteurs, des actionneurs, des microcontrôleurs, des modules de communication et des composants de sécurité. Ces composants mesurent et traitent les données pertinentes et établissent des connexions à Internet. L’intégration d’appareils IoT dans un réseau assure le traitement intelligent d’une grande quantité de données et une connexion stable et sécurisée au cloud.
Pour relever ces défis fondamentaux et accélérer le développement, une plate-forme de développement dédiée est requise. Celle-ci permet une mise en œuvre rapide, facile et sécurisée des idées, et simplifie le prototypage et le développement en fonction de l’application prévue.
Prenons l’exemple du kit de capteurs connectés Infineon XENSIV™ constitué du radar XENSIV™ BGT60TR13C et des capteurs de CO2 PAS XENSIV™. Le kit de capteurs connectés est réparti en quatre blocs principaux.
Figure 3 : Composants du kit de capteurs connectés Infineon XENSIV™ (Source)
Détection (Sense) : le bloc de détection est constitué de capteurs adaptés aux environnements industriels, tels que le capteur de pression barométrique XENSIV™-DPS368, le capteur radar XENSIV™ BGT60TR13C de 60GHz et le capteur de CO2 PAS XENSIV™, tous inclus dans le kit de capteurs connectés. Les éléments de détection incluent des régulateurs de tension, des convertisseurs de tension et des oscillateurs.
Calcul (Compute) : le kit de capteurs connectés contient un PSoC™ 62, un microcontrôleur Arm® 32bits hautes performances basse consommation conçu pour les applications IoT. Celui-ci est doté d’un environnement logiciel ModusToolbox™ conçu pour faciliter l’évaluation et le développement de la plate-forme de traitement PSoC. La couche algorithmique inclut l’ensemble de la chaîne de traitement des signaux, des données de détection brutes à la sortie d’application traitée.
Connexion (Connect) : pour que les appareils puissent communiquer entre eux et avec le cloud, les modules doivent être connectés à l’IoT. Pour les conceptions IoT compactes, le module combiné de connectivité AIROC™ intègre le Wi-Fi 4 (802.11n) double bande 2,4GHz et 5GHz et le Bluetooth® 5.0 dans une solution monopuce.
Sécurisation (Secure) : la solution Infineon OPTIGA™ Trust M est parfaitement adaptée aux systèmes de sécurité intégrés dotés d’une connectivité mobile sécurisée lors de l’utilisation du kit de capteurs connectés.
Les capteurs IoT sont conçus pour acquérir, traiter et interpréter des données, communiquer avec d’autres appareils et leur permettre de communiquer entre eux. Par exemple, dans le domaine de la détection de présence, les appareils intelligents sont développés pour avertir rapidement les utilisateurs lorsqu’ils détectent une présence humaine à proximité. La solution de présence radar haute sensibilité d’Infineon permet de détecter non seulement les macro-mouvements (grands gestes), mais également les micro-mouvements (plus subtils). La connectivité IoT améliore l’interaction des utilisateurs avec les appareils en éliminant le besoin pour les utilisateurs d’interagir physiquement avec les éléments de détection pour déclencher une réponse.
Element14 a noué des partenariats avec des fabricants qui proposent divers accessoires de commande de moteurs et industriels tels que des capteurs magnétorésistifs, des capteurs ultra-basse pression différentielle numériques, un kit de capteurs et des cartes d’évaluation.
Conclusion
Lorsqu’elles sont intégrées à un vaste réseau de machines, les technologies de détection permettent de traiter avec précision de grandes quantités de données, pour des retours rapides et des erreurs humaines limitées. Par exemple, les capteurs intégrés à des systèmes CVC garantissent un relevé ultra-précis de mesures de très basse pression. Ils sont également capables de détecter avec précision les fluctuations de pression dans les gaz réfrigérants, même en cas de variations rapides de la température, grâce à la compensation de température à l’intérieur du circuit intégré du capteur. Les capteurs AMR jouent un rôle crucial dans la surveillance de position dans la robotique, en particulier dans les scénarios impliquant de grands entrefers ou de petits champs magnétiques. Dans les environnements industriels, les capteurs sont la colonne vertébrale des usines intelligentes. Les technologies de connectivité et de détection ont permis de faire de l’automatisation des environnements industriels une réalité. Pour en savoir plus sur les capteurs MEMS dans les applications industrielles ou sur l’automatisation industrielle, cliquez ici.
