28 june 2017 | La Revue POLYTECHNIQUE

Une nouvelle famille de modules de mesure

Martin Podrouschek*

Beckhoff complète sa gamme de produits de métrologie par une nouvelle famille de modules de mesure EtherCAT de grande précision et haute vitesse. Ces instruments ouvrent de nouvelles possibilités en termes d’exactitude et de fidélité des valeurs, de précision de la cadence, de synchronisation et en particulier de précision des mesures à long terme.

La nouvelle gamme de modules de mesure de Beckhoff propose une solution globale sans rupture de plate-forme ni de système pour la technique de commande actuelle sur base PC et EtherCAT. Ces produits vont de la simple borne analogique 12 bit au module «Condition Monitoring» haute précision de 24 bit avec une fréquence d’échantillonnage de 50’000 éch./s.

Les exigences des clients dans le domaine de la construction de machines et installations sont de plus en plus élevées en termes de temps de cycle, de surveillance d’état et de maintenance préventive. Une technique de mesure de haute précision est une condition essentielle pour rester compétitif. Les bancs d’essai en fin de ligne sont désormais la norme dans les installations de fabrication et d’emballage: chaque produit final doit être contrôlé et mesuré dans des temps de cycle courts, les données doivent être archivées en vue du suivi ultérieur.

Cette traçabilité implique des exigences élevées pour la technique de mesure utilisée, comme la présentation de certificats d’étalonnage d’usine et la fiabilité de mesure, qui doit être démontrée en permanence. Auparavant il fallait souvent intégrer des appareils de mesure externes offrant des bus de terrain variés, ce qui impliquait une surcharge de travail et de communication.

La nouvelle génération de matériel de technique de mesure garantit la qualité optimale des données de mesure grâce à l’exploitation intégrale des propriétés EtherCAT.

Une solution efficace et intégrée

Beckhoff propose une solution à la fois efficace et intégrée avec le lancement d’une gamme de modules de technique de mesure EtherCAT spécialement conçue pour répondre à ces exigences. Chaque module est doté d’un numéro d’identification unique (ID) pour lequel un certificat d’étalonnage d’usine peut être établi. Ces modules EtherCAT complètent la technique de mesure de ce fournisseur, qui comprend actuellement la technique analogique standard (12/16 bit), la mesure de l’énergie et le Condition Monitoring par une quatrième série: la technique de mesure de précision à haute vitesse.

Une technique de mesure performante et conviviale

Cette nouvelle classe d’appareils offre une technique de mesure hautement performante qui se caractérise par sa robustesse et sa convivialité. Les modules sont spécialement conçus pour les applications industrielles nécessitant des délais de fabrication courts et pour s’intégrer dans des environnements tels que les armoires électriques.

L’autodiagnostic approfondi est une autre fonction qui garantit un fonctionnement durable et une maintenance réduite, y compris dans les installations ne nécessitant pas la présence d’un opérateur. Les modules de technique de mesure EtherCAT détectent automatiquement et immédiatement les éventuelles erreurs de mesure qui, sinon, auraient été considérées à tort comme des mesures valables pendant une longue période Les rapports de diagnostic peuvent être consultés en permanence via EtherCAT. Le système se caractérise par le diagnostic complet sur les raccordements, permettant de détecter efficacement les courts-circuits, les ruptures de fil et les shunts, une fonction de test automatique complète et des contrôles internes répétés, ainsi qu’une surveillance permanente de la température et de l’entrée afin de détecter les surcharges.

La technique de mesure Beckhoff réunit les trois domaines E/S établis et le nouveau secteur de la technique de mesure de précision pour une utilisation dans des environnements industriels.

Des modules pour des applications industrielles et de test

Ces nouveaux appareils sont conçus pour différentes utilisations, à la fois en environnement industriel et de test. Différentes variantes sont disponibles, notamment des canaux multifonction avec de nombreuses plages de mesure intégrées (30 V à 20 mV, ±20 mA, jauge de déformation pont complet/demi-pont ou quart de pont, IEPE, thermocouple, RTD), ainsi que des versions optimisées avec différents nombres de canaux.

La qualité élevée des valeurs des données saisies est la principale caractéristique des modules de technique de mesure EtherCAT. Cet objectif est atteint grâce aux mesures suivantes:

Une atténuation diaphonique élevée est garantie entre les canaux.
Des composants haut de gamme et de dernière génération garantissant une mesure à très faible bruit et particulièrement dynamique. Ainsi, les avantages de la résolution 24 bit, qui offre en théorie une résolution de mesure 256 fois plus précise que la traditionnelle résolution à 16 bit, peuvent être pleinement exploités. Avec son débit de données de 100 Mbit, EtherCAT offre une largeur de bande suffisante pour transmettre des centaines de canaux à 24 bit avec des vitesses d’échantillonnage de 10’000 éch./s.
Grâce au prétraitement spécifique effectué sur site de production Beckhoff, le matériel de technique de mesure est immédiatement et durablement opérationnel.
Un concept de blindage garantissant une sécurité sur le long terme a été mis en œuvre pour les câbles analogiques. Ce concept assure une protection efficace contre les interférences et est également efficace en cas de contraintes par vibrations.
Une faible incertitude de mesure est obtenue grâce à un ajustage haut de gamme en série et à l’enregistrement précis des grandeurs d’influences. Beckhoff indique de manière séparée, dans la spécification, les composantes d’erreur comme les erreurs de répétabilité, la non-linéarité, les erreurs d’offset/gain et le bruit.

Dans certaines plages de mesure, une précision de mesure de base de 100 ppm (0,01 %) à 23 °C est atteinte et ceci avec une stabilité thermique élevée. Certes, ceci est monnaie courante dans la technique de mesure classique, mais représente certainement une révolution dans le domaine de l’automatisation.

Les boîtiers métalliques robustes présentent une face frontale équipée de toutes les interfaces standard de la technique de mesure. Ils permettent une intégration aisée dans tous les environnements courants de la technique de mesure.

Différentes vitesses d’échantillonnage disponibles

Dans la nouvelle série d’entrée de gamme, différentes vitesses d’échantillonnage sont disponibles selon les spécifications. Les valeurs échantillonnées peuvent être collectées par n’importe quel maître EtherCAT avec un temps de cycle de 100 à 500 µs avec suréchantillonage et horodateur permettant une résolution temporelle précise des mesures:

10’000 éch./s dans les bornes multifonctionnelles;
20’000 éch./s dans les bornes à deux canaux U, I, pont de mesure (jauge de déformation);
50’000 éch./s dans la borne IEPE à deux canaux.

La fonction ExtendedRange permet, avec l’extension à 107 % de la plage de mesure, une mesure réelle jusqu’à la limite nominale et au-delà. Ceci permet d’exploiter pleinement la zone de détection du capteur. Les modules de technique de mesure EtherCAT se distinguent également par leur flexibilité en termes d’ajustage: les valeurs de calibrage Beckhoff peuvent être désactivées et remplacées par des valeurs fournies par l’utilisateur. Ceci s’applique également au calibrage polynomial pour la compensation des non-linéarités. D’autres fonctions englobent l’échantillonnage synchrone de tous les canaux et bornes sur < 1 µs et une synchronisation externe par rapport à un temps universel absolu selon la norme IEEE 1588 ou d’autres réseaux EtherCAT.

Une conception tournée vers la pratique

Les PC Industriels Beckhoff se distinguent par des contrôleurs performants, mais cela s’applique aussi aux nouveaux modules de technique de mesure EtherCAT. En effet, les microcontrôleurs modernes garantissent une performance de calcul considérable et une efficacité élevée, permettant ainsi à chaque canal du module d’être paramétré individuellement. Par ce biais, un grand nombre de fonctions de calcul peuvent garantir des valeurs de mesure préparées et immédiatement interprétables dans le module de technique de mesure EtherCAT. Ceci inclut:

un calibrage polynomial pour une meilleure linéarité;
des mesures et compensations de température internes complètes;
l’adaptation de la vitesse d’échantillonnage au moment de l’exécution sans réinitialisation d’EtherCAT;
un filtre à deux étages jusqu’au 39^e ordre;
un intégrateur/différentiateur à deux étages;
un système de mise à l’échelle pour la compensation des capteurs non linéaires, p. ex. par un tableau de point de référence;
le calcul TrueRMS et la mesure des pics (haut et bas) PeakHold.

Une construction adaptée aux environnements sévères

L’orientation concrète vers les exigences pratiques se reflète aussi dans la nouvelle construction, à savoir un module métallique pouvant être installé sur des rails DIN. Il peut être enfiché dans toutes les bornes EtherCAT connues, le blindage du câble analogique peut y être raccordé et il garantit une bonne dissipation de la chaleur des composants électroniques analogiques vers la paroi arrière de l’armoire électrique. Le boîtier métallique convient aux applications dans des environnements sévères, n’exigeant que peu de maintenance. Il offre une enveloppe de protection solide pour l’électronique haut de gamme et réduit les effets des interférences électromagnétiques.

Par ailleurs, les modules de technique de mesure EtherCAT se distinguent par un toucher et un aspect haut de gamme, offrant une solution de raccordement adaptée à différentes applications. Le raccordement standard à cage à ressort enfichable assure une solution fiable sur le long terme; la fiche permet la maintenance sans ressortir les fils. La connexion BNC pour le diagnostic de vibrations se verrouille rapidement par baïonnette, elle dispose d’un blindage efficace à travers le câble coaxial et garantit des changements de câblage rapides. Le système comprend aussi des connecteurs haut de gamme LEMO pour les applications exigeantes. Leur assemblage est un peu plus complexe, mais ils présentent un blindage continu et peuvent être utilisés pour les opérations nécessitant une grande fiabilité au niveau de la connectique.

Intégration parfaite de la technique de mesure dans TwinCAT

Le logiciel d’automatisation TwinCAT est l’outil de base pour la création de programmes tels que PLC, Motion Control, Safety et les applications de technique de mesure. TwinCAT, qui permet la programmation et la configuration de l’ensemble des fonctions du système, est intégré dans le logiciel Microsoft Visual Studio^®.

La gamme de produits de mesure TwinCAT est également intégrée dans cette plate-forme. Elle comprend des outils graphiques performants qui permettent de représenter des signaux dans la plage de la microseconde. En plus des fonctions classiques comme le trigger, la synchronisation graphique et le curseur, TwinCAT Scope View offre également un support multi-cœur pour exploiter pleinement la performance de calcul du système et représenter des signaux à haute fréquence et les valeurs de suréchantillonage. En lien avec la bibliothèque Condition Monitoring de TwinCAT, des réponses en fréquence peuvent être calculées à l’aide de spectres de puissance ou de magnitude et représentées graphiquement dans Scope View.

TwinCAT Measurement comprend également des fonctions qui sont adaptées à une utilisation avec les nouveaux modules de technique de mesure EtherCAT. Le concepteur de filtre offre, par exemple, la possibilité d’éditer des courbes de filtre dans un graphique et de télécharger les coefficients de filtre calculés dans les nouveaux modules de technique de mesure, par glisser-déplacer. Ainsi, des filtres numériques comme Butterworth ou Tschebyscheff peuvent très facilement être conçus comme filtres passe-bas, filtres passe-bande ou filtres passe-haut et utilisés avec les filtres configurables des E/S. Les coefficients peuvent également être téléchargés dans des modules de filtre dans l’environnement logiciel.

Dans l’esprit d’Industrie 4.0 et de l’IoT

Dans l’esprit d’Industrie 4.0 et de l’Internet des objets (IoT), les données de mesure saisies peuvent également être corrélées de manière centralisée sur le réseau ou dans des clouds. En effet, TwinCAT prend en charge la communication avec des systèmes de cloud en standard. Faisant partie de l’environnement de TwinCAT Measurement, TwinCAT Analytics est conçu pour l’analyse des données dans les systèmes de cloud. Il permet d’identifier et de relever les caractéristiques significatives des signaux et de les documenter. Un fournisseur de services de stockage sur le cloud garantit un accès facile à l’historique des données stockées sur le cloud.

Lien: www.beckhoff.fr/measurement-technology

Beckhoff Automation SA

1442 Montagny-près-Yverdon

Tél.: 024 447 27 00

www.beckhoff.ch

* Responsable produits Systèmes de bus de terrain, Beckhoff Automation