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18 septembre 2013 | La Revue POLYTECHNIQUE 05/2013 | Automatisation

Quand l’art et la technique ne font plus qu’un

La Kinetic Rain de l’aéroport Changi de Singapour est l’une des plus grandes sculptures cinétiques jamais réalisées. Le concept artistique et la conception informatique de la chorégraphie de cette œuvre se sont inspirés des pluies tropicales de Singapour. Cette installation se compose de 1216 gouttes brillantes en aluminium cuivré. Celles-ci sont suspendues au plafond par de minces câbles d’acier et chacune est mise en mouvement séparément par un petit servomoteur.
La société Changi Airport Group (CAG) Singapore a été fondée le 16 juin 2009. Responsable de l’exploitation et de la direction de l’aéroport Changi, elle s’occupe également de son développement en tant que hub aérien, des activités commerciales, ainsi que des services d’urgence. En 2011, l’aéroport a enregistré plus de 46 millions de mouvements de passagers. A l’occasion de la rénovation du hall d’embarquement, cette société a investi dans une sculpture cinétique inspirée des pluies tropicales: la Kinetic Rain rend hommage à la métropole de Singapour et à son climat si particulier.
Quand les voyageurs et visiteurs de l’aéroport pénètrent dans le terminal 1 de l’aéroport Changi, ils sont irrésistiblement attirés par la Kinetic Rain. «Le jeu harmonieux de plus de mille gouttes symbolise également les nombreuses personnes, qui veillent quotidiennement à ce que les voyageurs et les visiteurs de Changi soient bien accueillis, tout en gardant un bon souvenir de l’aéroport», explique Yeo Kia Thye, directeur adjoint de l’exploitation de l’aéroport de CAG.
L’installation constituée de deux nappes de 608 gouttes chacune, couvre une surface totale supérieure à 75 m² et balaie une hauteur de plus de 7,3 m. Pendant un cycle de quinze minutes, les 1216 gouttes forment seize motifs différents sur le thème du vol. Le concept artistique de cette installation peu ordinaire a été pensé par l’agence berlinoise ART+COM. La réalisation technique de l’ensemble du projet et la programmation ont été assurés par la société MKT AG, basée à Olching près de Munich. Pour la programmation et la réalisation du système de commande, cette société spécialisée dans les installations cinétiques a bénéficié du soutien de l’entreprise Beckhoff. «Avec la Kinetic Rain, nous avons réalisé le projet de ce type le plus ambitieux à ce jour», explique Axel Haschkamp, membre de la direction de MKT. «Plus de 2000 heures d’ingénierie ont été nécessaires à la réalisation de ce projet. L’une des principales difficultés a été de transporter les 30 tonnes de l’installation déjà montée jusqu’à Singapour».
La sculpture Kinetic Rain nécessitant l’actionnement simultané de 1216 axes, les exigences vis-à-vis de son système de commande sont très élevées. En outre, le projet impliquait une grande disponibilité, des composants compacts et une configuration permettant le remplacement de composants sans adressage. «Parmi les exigences prioritaires de notre client CAG, nous devions aussi faire en sorte que l’installation fonctionne 24 heures sur 24. Le spectacle doit continuer, même si un seul axe tombe en panne», ajoute Peter Haschkamp, lui aussi membre de la direction de MKT.
 
 
Le pilotage des axes de manière synchrone
«L’actionnement synchrone de 1216 axes est l’une des prouesses techniques de ce projet», souligne Raphik Shahmirian, ingénieur commercial chez Beckhoff Munich, qui a accompagné la réalisation technique de la Kinetic Rain, en étroite collaboration avec MKT. Pour parvenir à ce résultat, il a fallu répondre à des exigences très strictes en matière de dynamique, de précision et de vitesse des séquences de mouvement. Les gouttes se déplacent à une vitesse de 1,5 m/s avec une accélération de 1,4 m/s². Le mouvement doit être dynamique, tout en restant parfaitement fluide. La société MKT a pu relever ce défi grâce à la plate-forme de commande Beckhoff sur base PC et EtherCAT, dotée de motorisations asservies compactes.
Le pilotage est assuré par un PC industriel central de type C6525. Celui-ci communique par TwinCAT ADS avec l’ordinateur à interface graphique spécial de la société MKT. Dans le même temps, le PC commande de manière centralisée les 1216 axes via TwinCAT NC PTP, jouant le rôle de maître. Grâce à la fonction de came électronique TwinCAT, le PC maître coordonne la répartition des données de position sur les six PC esclaves, auquels sont associés 192 ou 208 axes, en assurant la parfaite synchronisation de tous les axes en se servant d’un axe maître comme référence. La communication avec les moteurs s’effectue en temps réel via EtherCAT. Du fait de sa forme plate, le PC industriel C6525 est fait pour un montage dans un espace limité. Doté d’un support de stockage SSD en option et d’un système de refroidissement passif, ce PC ne contient aucune pièce rotative.
L’ordinateur à interface graphique de la société MKT sert, bien sûr, à la visualisation, mais il permet également d’afficher le spectacle sous forme de tableau dans lequel sont enregistrées les données de position de chaque goutte, à des intervalles de 200 ms. Cela correspond à une cadence de cinq images par seconde. Afin d’obtenir un mouvement fluide pour l’œil humain, une interpolation dans TwinCAT NC PTP est nécessaire. Ainsi, dans une tâche NC de 2 ms, 100 positions intermédiaires sont calculées pour chaque goutte à l’aide d’une fonction d’interpolation. Ces calculs sont effectués par les PC esclaves, chacun prenant en charge les axes qui lui sont affectés.
Sans les technologies EtherCAT et TwinCAT NC PTP, il serait impossible de faire en sorte que les gouttes se déplacent de manière synchrone et donc de reproduire l’effet artistique d’un film en 3D. Alors que l’ordinateur maître assure la synchronisation de tous les axes, chaque PC esclave calcule toutes les 2 ms les positions des axes qui lui sont associés, en les communiquant en temps réel aux servomoteurs par le biais d’EtherCAT.
 
 
Une servo-borne compacte
Avec une marge d’erreur qui ne dépasse jamais 1 mm sur une longueur totale de 7,6 m, la précision de déplacement des différents axes est extrêmement élevée. Le décalage maximal entre deux gouttes est de 0,25 mm. Chaque goutte est commandée par une servo-borne EtherCAT EL7201 et par un servomoteur de type AM3121. «Grâce aux borniers d’asservissement s’intégrant de façon transparente dans la chaîne de bornes EtherCAT, nous avons trouvé une solution extrêmement compacte qui répond parfaitement aux exigences de la construction, à savoir un espace restreint dans le plafond du bâtiment», souligne Peter Haschkamp. La technique d’entraînement servo apporte également des avantages dynamiques et permet des transitions fluides.
 
 
La modularité de la commande simplifie la mise en service
«La modularité de la solution de commande était très importante pour nous, de même que la possibilité de remplacer un seul axe sans adressage. Cela permet, par exemple, une mise en service partielle, c’est-à-dire que nous pouvons travailler parallèlement sur le logiciel, le matériel et la mécanique. Ainsi, nous avons pu respecter le délai très court dont nous disposions pour ce projet», déclare Peter Haschkamp. Avec TwinCAT NC PTP, il est même possible de faire des sauts dans le cycle, à l’instar d’un film que l’on ferait avancer ou reculer en accéléré. Cela a beaucoup simplifié la mise en service pour la société MKT. Si un passage du cycle n’était pas totalement satisfaisant, les ingénieurs pouvaient toujours le refaire. Avantage crucial, comme le confirme Peter Haschkamp: «Ce n’est pas possible avec d’autres solutions. On est obligé de reprendre tout le cycle jusqu’à la position souhaitée, ce qui fait perdre beaucoup de temps».
À la différence des sculptures cinétiques comparables que la société MKT a réalisées par le passé en utilisant des commandes matérielles décentralisées, la Kinetic Rain est commandée depuis un PC central avec un seul logiciel, où tous les transferts s’effectuent par EtherCAT. La fonction de came électronique, qui était logée dans l’amplificateur d’entraînement, dans les solutions antérieures de cette société, est maintenant assurée par le logiciel. Ainsi, les données de position peuvent être gérées de façon centralisée et transmises en temps réel aux axes par EtherCAT.
Des informations complémentaires sur la sculpture Kinetic Rain sont disponibles sur le site Internet:
www.changiairportgroup.com.

À propos de la société MKT AG
Depuis plus de 30 ans, la société MKT AG, établie à Olching, en Allemagne, conçoit, développe et réalise des pièces d’exposition et des installations cinétiques originales pour des salons, des manifestations, des musées, ainsi que des salles d’exposition. Cette société compte parmi ses clients de grandes entreprises industrielles ou de services, ainsi que des institutions du monde des arts et de la culture. Technologies de pointe, interaction et design sont au cœur de la stratégie de cette société.
www.mkt-ag.de

À propos de l’agence ART+COM
Basée à Berlin, l’agence ART+COM AG ouvre de nouvelles voies dans le domaine de l’aménagement des espaces. En collaboration avec des designers, des artistes numériques, des développeurs informatiques, des technologues, des programmeurs, des experts des communications, des concepteurs de produits, des ingénieurs, ainsi que des gestionnaires de projets, cette agence explore les possibilités technologiques et créatives de l’informatique, afin de les mettre en pratique sous la forme d’installations artistiques.
www.artcom.de