Réseau InstrumentationAutomatisme
L. Brunetti, G. Balik, I. Monteiro
Automatisme au LAPP (spécificités et aperçu des projets)
Nos attentes, nos souhaits, nos interrogations…
Fonctionnement
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Equipe de 3 personnes bureau d’études - Automatisme & contrôle 1 IR expert en contrôle – formation en automatisme
1 AI expert en automatisme (10 ans)
1 IR en contrôle – automatisme (10 ans)
Un groupe au sein du service mécanique
La partie supervision (hors pupitre) est en charge du service informatique
Liens avec un laboratoire de mécatronique de notre université (Savoie – Mont-Blanc)
Les prémisses: projet LHCb
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Déplacement des détecteurs Ecal, Hcal, PS et SPD
Configuration très simple : variateur - moteur
Moteur
brushless
Vis à bille
Accouplement
Réducteur
• Variateurs – moteurs : PARVEX
1er projet d’automatisme : OPERA en Italie
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• OPERA est une expérience dite
≪ long-baseline ≫ sur faisceau
de neutrinos μ créé au CERN.
• Le détecteur OPERA situé à
732km du CERN doit mettre en
évidence l’apparition de ντ qui
auront oscillés depuis des νμ
• 146200 briques
(1.26 ktonnes)
• 2 x 31 demi-murs de
briques
• 7936 Etagères
Le détecteur :
Le projet scientifique :
Partie automatisée
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Cahier des charges
• Chargement des 210 000 briques en 1 an / Extraction de 30 briques / jour pendant 5 ans.
• Garantir une traçabilité du positionnement et de la manipulation des briques.
• Éliminer les manipulations manuelles des briques
Construction de 2 Manipulateurs de Briques Automatisés.
Par semaine:
1 Km (roue de 40mm)
22000 Kg (2600 briques) manipulées
Jusqu’à 16h/jour
En 2009:
64000 briques déplacées.
= 550 000 kg déplacés avec précision
2 x 8h 6 mois dans l’année et 1 x 8h le
reste de l’année
60 Briques par jour extraites au max par
jour.
Architecture automatisme
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Profibus Profibus
Manipulateur Corridor
• Utilisation de Bus de Terrain.
• 14 Moteurs électriques gèrent les déplacements
• Les deux manipulateurs sont indépendants. (Automate et programmes dédiés)
• Utilisation de matériel hétérogène.
Manipulateur Rock
Salle de ContrôleAutomates SCHNEIDER
Partie informatique industrielle
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Superviseur
Programme C++Traduit les demandes
de service reçues du
BMM en missions
élémentaires pour les
automates.
BMM Programme C++Tracer chaque
événement de la vie
de chacune des
briques.
Savoir à tout moment
où est chaque brique
et son état.
Base de données
Sockets TCP/IP (8 missions de bases)
Corba
BMS GUI
BUFFER
Corba Corba
Applet Java
Serveur Web Embarqué de l’automate
Synthèse d’OPERA
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Réponse à un cahier des charges typé machines deproduction.
Réponse aux besoins de précision du déplacement.
Collaboration de différents corps techniques (Méca,Auto, informatique).
Les 2 manipulateurs ont répondu aux besoins del’expérience. (Capacité + temps de cycle).
La maintenance est indispensable pour éviter les arrêtsdû à des pannes.
Projet HESS (High Energy Stereoscopic System) en Namibie
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• Collaboration internationale : France (LUTH, LPHNE, LLR, LUPM, LUTH, LPTA…), Allemagne, Europe,
Namibie…
Gerbe vue par les 4 télescopes de HESS I
Réseau de télescopes à imagerie
cherenkov atmosphérique pour
l'étude des rayons gamma
Objectifs
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Caméra :
Longueur : 2,4 m - Hauteur : 2,4 m
Masse : 3 tonnes - 2 000 PMs
1. Système automatisé de déchargement de la caméra du télescope et
remplacement par une fausse caméra de caractéristiques identiques
(maintenance, protection, calibration…)
2. Positionnement autofocus, verrouillage et déverrouillage de la caméra sur le
télescope• Distance focale vs distance de la source observée
• Déformation méca vs position du télescope (azimut / horizontal) : 100 mm
• Dilatation thermique du télescope (-10°C à 40°C) : 20 mm
Contexte
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Peut être réalisé par des experts et / ou des shifteurs qui connaissent peu (ou
pas) l’installation : minimum d’opérations manuelles → maximum
d’automatisation
Doit être réalisé en 30 minutes en cas d’urgence (mauvais temps)
Lieu : température, soleil, sable, saison des pluies…
Taille de l’installation
Valeur et fragilité de la caméra
Eloignement géographique
Cadence → Commande sûre
L'installation
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Shelter :
- Longueur : 12 m
- Largeur : 6 m
- Hauteur : 6 m
Les sous-ensembles automatisés
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4 mouvements :
1: Base
2: Plateau pivotant
3: Translation
4: Levage
19 t < masse < 22 t
6.2 m x 4.35 m
Fixation de la caméra
Autofocus : 0 / + 200 mm
L'approche
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Cf Wikipedia diagramme de Venn
Problématiques standards :
• Synchronisation d’axes vs couplage mécanique
• Recalage en fonction des glissements
• Instrumentation vs - dilatation thermique
- glissement sur rail
• Numérisation vs distance
• Gestion des coupures de courant
• Distance variateur – moteur…
Problématiques spécifiques :
• Architecture automatisme
• Contrôle de déplacements d’ensembles mécanique
• Instrumentation
• Pneumatique
• Réseaux de terrains
• Electrotechnique
• Sécurité
• Interface homme machine…
Mouvement automatisé = sécurité
(hardware)
• Détection d’obstacles
• Protection des accès
• Intervention humaine (arrêt
d’urgence) - interfaces
Humain :
Matériel :
• Butées
• Coupure courant
Architecture automatisme
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• Un automate dédié axe• 14 moteurs bruchless pilotés à l’aide de variateurs.• Différents types de réseaux (terrain, Ethernet…)• Divers périphériques : pupitre opérateur, entrées / sorties déportées, îlots pneumatique…• Supervision informatique (serveur OPC)…
Principe des différents asservissements
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Synchronisation d’axes : principe
Exemple asservissement de la base du chariot
Point de vue « contrôle » :
x 4 moteurs
Avantage : contrôle global du système (si un Δn > tolérance, les 4 moteurs s’arrêtent en synchro)
Composants spécifiques
2 CU + 2 de bus de terrain
o PLC SIEMENS avec 2 CPU : une standard
+ une dédiée drive
o 2 bus Profibus : DP + DP isochrone pour la
synchronisation et une période
d’échantillonnage optimisée (3 - 5 ms)
o Ensemble variateurs spécifiques et
configuration homogène
Gestion de la sécurité et des interlocks
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Relais de sécurité
(≈ vs PLC sécurité - interfaces)
Associés à des capteurs de zone
Interlocks (hardware) avec le télescope : AU « bidirectionnel » et par zone vs position
des sous-éléments.
Sécurité des mouvements du télescope en fonction de l’état de notre système et de l’état
de la caméra.
• Logique câblée pour l’ensemble de la gestion des arrêts d’urgence de l’installation et
des interlocks
Sécurité des mouvements
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Sécurité hardware
Contrôle avec relais de sécurité
• Permet une décélération
d’urgence pendant
l’écrasement du bords
sensible puis du ressort ≠
arrêt sur frein moteur
• Préférés aux scrutateurs laser
vs soleilBords sensibles
Fins de course avec module spécifique
« serrure instrumentée »
Contrôle via relais de sécurité
Sécurité des mouvements
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Cycles possibles (dizaine de cycles)
ID d’initialisation de chaque axe (6)
« Rejoindre » un état d’une séquence de
cycle
Software automate : le « tout » automatisé Etre capable de repartir de n’importe quel état, accompagné au maximum l’utilisateur…
Exemple d’état
initial
Software : instrumentation dédiée
Vérification de la cohérence des
mesures codeurs, capteurs
analogique et avec capteurs
TOR mécanique et inductif
Installation pneumatique
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• Traitement d’air (Vanne manuelle et sectionnable, MPP, Pressostat, FRL)
• Ilots pneumatiques pilotés via un bus de terrain (Profibus DP)
Traitement d’air
Ilots pneumatiques
Sauterelles
Vérins
• Parafoudre
Photo de l’alimentation de la caméra - autofocus
Protection puissance, commande et bus…
Protection de l’installation
Arrêt sur coupure courant
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• Détection d’une coupure réseau intégré reliée à l’automate via des entrées rapides
• Onduleur commun permet de gérer une décélération d’urgence (pas d’arrêt sur frein moteur)
• Codeurs absolus multi-tours pour le redémarrage
Partie informatique
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• DAQ et supervision sous Linux
• Passerelle Linux - Windows
• Serveur OPC Siemens sous Windows
Touch panel dédié constructeur et
non utilisateur
CTA 4 grands télescope LST : cahier des charges
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Poids: 120 Tonnes
Inertie: 12000 t.m^2
2 grands modes de Fonctionnement:
• GRB Alert: Vitesse de de rotation élevé, puissance élevée
Azimuth: 180° en 20s
Elevation: 90° en 20s
• Tracking: Vitesse très faible, précision de positionnement élevée
Précision requise: 14 arc secondes
x4
Le Drive sur les Telescopes LST de CTA
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Axe Azimuth
Axe Elevation
x2
• 6 moteurs synchronisés en vitesse,
limités en couple (SIEMENS)
Azimuth Motor Synchronization
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Slightly higher speed on slaves motors ensures a contact on each tooth
on all gears
After the motion 4 motors will apply reverse torque to avoid backlash
Azimuth Motor Synchronization
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This regulation principle is called in french “Statisme Compensé’’
Already successfully used by Siemens in other applications
L’architecture automatisme d’un télescope LST
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Banc de Test Elevation
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CTA LST Télescope - Le câblage du Telescope
29• Puissance totale : 300 KW / télescope
Projet DUNE – WA105
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Positionnement du plan d’anode (4 x 3 * 3m)
3m 3m
• Entrainement par 3 vérins
électriques (BOSCH)
synchronisés par un PLC et
moteurs (SIEMENS)
Prototype de 3 x 1 m
• Supervision : PVSS
DUNE - Projet Futur
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• Plan de lecture de charge Double-
phase de 12m x 60m segmenté
Problématique de production
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• Un double cadre bougeant verticalement
• Un chariot circulant autour de la cuve
• Synchronisation d’axes avec des moteurs DELTA, couple et dimensions très faibles
Fixed frame
Elevation motors
Trapezoidal screw
Pantograph system
Projet STEREO - ILL - Système de calibration
2 moteurs Brushless
1 moteur pas à pas
Mode de fonctionnement
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Etudes CAO électrique / électrotechnique
Réalisations électrotechniques
Analyse fonctionnelle, Grafcets (gemma), programmation
Architecture PLC, réseaux…
Mise en œuvre, tests…
Maintenance
Projets antérieurs et en cours
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Projets très mécaniques – mécatroniques
Incluant généralement des drives systèmes
Sécurité
Réseaux de terrain
Instrumentation, pneumatique…
Temps de cycle, commande sûre, intégration…
Liens avec l’informatique industrielle (ex: OPC UA)
Quelques interrogations…
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• Etudes avec un logiciel de Conception
Assisté par Ordinateur dédié (See Electrical
Expert de IGEXAO), licence labo
Schémas standards et borniers, câbles,
implantations, nomenclatures…
Gestion des licences via CC?
• Exemple CAO électrique / électrotechnique
Gestion du câblage et du raccordement sur site?
• Interne et externe
Quelques interrogations…
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Gestion des normes de sécurité machine?
Gestion des contraintes de maintenance et de support vs nouveaux projets?
Qui a des problématiques similaires ou complémentaires aux nôtres?
Annexe : contrôle vibratoire
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• Contrôle de la trajectoire du faisceau:
Projet de R&D « contrôle pur »
Simulation de faisceau sous PLACET (CERN)
Résultats de simulations obtenus très bons: 0,1
nm RMS @ 0,1Hz
• Démonstration de faisabilité de contrôle actif à l’échelle sous-nanométrique:
Développement d’un pied actif avec des actionneurs piézoélectriques et 4 capteurs
commerciaux (géophones et accéléromètres)
Résultat obtenu de 0,6 nm RMS@4Hz !!
Mesure vibratoire
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• Développement d’un capteur de vibration:
Résultat compétitif avec les meilleurs capteurs
du marché
Capteur adapté au contrôle vibratoire
Développement de son électronique associée et
de son élément sensible
Dépôt de brevet France (FR 13 59336) et
extension PCT
• Projet ATF2:
Corrélation entre les mouvements du faisceau, des aimants
et du sol – différentes campagnes de mesures – 14 capteurs
sur site en fonctionnement.
Responsabilité de la focalisation finale, modélisation du
mouvement du sol, suivi des évolutions (ex: QF1) et
identification des sources de vibration