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La régulation avancée au service de la tour EiffelAgée de 119 ans, la vieille dame a gardé fière allure. Un entretien soigné et de gros efforts de maintenance l’ont maintenue en pleine forme. Les organes de fonction-nement que sa structure abrite sont régulièrement modernisés. La récente réno-vation de contrôle commande sur l’ascenseur du pilier est de la tour Eiffel en est un parfait exemple. Cette opération a été confiée à Schneider Electric. Deux des régulations principales ont été mises en œuvre pour assurer le déplacement des cabines et leur maintien à niveau aux étages. Deux applications de techniques de régulations avancées sont présentées : la régulation à modèle et la régulation prédictive.

La société d’exploitation de la tour Eiffel entreprend en 2004, la réno-vation du dispositif de contrôle commande de l’ascenseur est. Les

contraintes de performance imposées par les nouvelles normes de sécurité exigent de remplacer les précédentes régulations PID (proportionnelles intégrales dérivées) par du contrôle avancé, seul capable d’atteindre les performances souhaitées tout en assurant un taux de panne extrêmement réduit. « Il deve-nait nécessaire de remplacer le matériel quasiment dédié à cette machine. Les cartes électroniques avaient été conçues spécifiquement dans les années 80. Il de-

venait difficile de trouver des pièces de rechange, le service qui les avait conçues avait disparu. Ce qui en-gendrait des coûts de main-tenance importants », rap-porte Fabrice Fevai, chef du service moyen d’ascension de la so-ciété d’exploitation de la tour Eiffel. Le taux de panne augmentait pour atteindre 10 à 15 % du temps d’ex-ploitation. Les inci-dents techniques sur-venaient par période

ponctuellement ou en cascade. Ces irrégula-rités ne facilitaient pas l’établissement d’un diagnostic.Avant de pénétrer au cœur du problème de régulation, revenons brièvement sur le fonc-tionnement de l’ascenseur. Le chariot por-tant les deux cabines se déplace sur un rail de roulement le long de la tour Eiffel entre le rez-de-chaussée et le deuxième étage. L’entraînement est réalisé par deux ensembles de trois câbles de traction, situés de part et d’autre du chariot. Les cabines sont munies d’un système de correction de l’inclinaison. Grâce à lui, les cabines sont maintenues horizontalement quelle que soit la pente du rail de roulement et ce, pour le confort des passagers. Le chariot cabines est entraîné par des équipements hydrauliques (huile + eau) situé dans les sous-sols de la tour Eiffel (voir encadré sur le “principe de fonctionnement de l’ascen-seur du pilier est”).

Les contraintes à respecterComme on peut le deviner, cet ascenseur n’est pas un ascenseur comme les autres. Il présente d’importantes spécificités. Tout d’abord, l’appareil est à l’air libre, il est donc soumis aux aléas climatiques : le vent provo-que des saccades sur sa mesure de vitesse, le soleil fait varier l’élongation des câbles… Ensuite, tout en gardant une partie de sa ma-

chinerie hydraulique d’origine, il est piloté par des moteurs à huile, ce qui entraîne des contraintes supplémentaires. « Quand on régule le niveau de la cabine avec les vérins d’isonivelage, il faut en parallèle réguler la pression dans les circuits hydrauliques sans que les deux régulations rentrent en conflit », précise Olivier Guthmann qui a mené ce projet chez Schneider Electric. Enfin, la tour Eiffel est l’un des plus célèbres mo-numents au monde et l’un des plus visités. Dans ce contexte, pas de place à l’improvi-sation. L’ascenseur doit répondre aux règles de sécurité les plus strictes. Les normes euro-péennes ne lui sont pas applicables. Elles ne concernent que les inclinaisons inférieures à 15° par rapport à la verticale. Or, dans le cas présent, l’inclinaison est de 54° entre le sol et le premier étage et de 74° entre le pre-mier et le deuxième étage. Les normes se rapportant aux téléphériques, aux ascenseurs hydrauliques ou aux ascenseurs inclinés ne peuvent pas non plus s’appliquer. Résultat : « Une analyse de risque est indispensable à chaque fois que des travaux sont entrepris. Il faut étudier toutes les défaillances possibles et imaginables. Des solutions doivent être trouvés sinon des mesures com-pensatoires doivent être mises en place », explique Fabrice Fevai. Tout cela se traduit notamment par des contraintes importantes au niveau du déplacement de la cabine. Le positionne-ment de la cabine à l’étage doit être effectué à plus ou moins 3 cm près. La vitesse d’ar-

La société d’exploitation de la tour Eiffel doit maintenir en parfait état de fonctionne-ment des ascenseurs dont la mécanique date en grande partie depuis 1899.

Le dispositif de régulation de l’ascenseur du pilier a été récemment rénové.

Le mode de régulation mis en place concilie sécurité, disponibilité, et adaptabilité au matériel existant.

L’essentiel

Schneider Electric et Spie ont été chargées de la rénovation du système de contrôle commande de l’ascenseur du pilier est afin d’optimiser son fonctionnement et d’améliorer sa disponibilité.

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La régulation avancée au service de la tour Eiffel

rivée à l’étage doit quant à elle être maîtrisée avec précision. De plus, les algorithmes de régulation doivent être extrêmement robustes. En effet, la vieille dame travaille beaucoup. Elle est ouverte au public 7 jours sur 7, toute l’année, de 9 heures jusqu’à 23 heures l’été. Ses trois ascenseurs sont intensément solli-cités : ils ont transporté près de 7 millions de passagers en 2007. Donc l’objectif est de maintenir leur taux de pannes très faible.

Une solution : le contrôle avancéLa solution de régulation auparavant en place était réalisée à base de composants discrets. Elle ne donnait plus satisfaction. La tempé-rature pouvait faire varier certains éléments qui agissaient sur la régulation, des capteurs dérivaient… Tout cela entraînait des dys-fonctionnements ou des pannes. Il était donc

nécessaire de passer à une autre technologie. Les dispositifs modernes sont à mêmes de compenser des petits écarts de température, des dérives de capteurs, des allongements de câbles. Différentes entreprises ont été con-tactées à ce sujet. Certaines ont reconnu qu’elles ne maîtrisaient pas assez le domaine de la régulation. D’autres ne voulaient pas s’engager devant la spécificité des équipe-ments présentant des contraintes spécifiques. Le service technique de la tour Eiffel a fina-lement confié cette mission de modernisa-tion à Schneider Electric. « Nous avions l’habitude de travailler avec eux. Nous leur avons demandé de nous faire une proposition. Ils nous ont présenté le régulateur à modèle dont nous avions entendu parler mais que nous ne connaissions pas bien », se sou-vient Fabrice Fevai. Pourtant les avis diver-geaient sur la question. Alors qu’un con-

seiller externe pensait que cette option serait appropriée et simple à mettre en place, un autre avançait qu’elle ne fonctionnerait pas. « On était dans l’expectative. On y a bien réfléchi et on s’est lancé ! », se rappelle Fabrice Fevai.Jusqu’à présent, les automates installés ne faisaient pas de régulation. L’opération de modernisation consistait donc à développer les modèles mathématiques appropriés et à intégrer les algorithmes de régulation aux automates.Les régulations classiques de type PID don-nent satisfaction dans un certain nombre de situations. Mais, dans le cas présent, elles ne permettent pas de prendre en compte un si grand nombre de contraintes. Il a donc fallu s’acheminer vers des solutions plus pointues que sont les régulateurs à modèle de type IMC (Internal Model Control) ou les régula- ➜

Le chariot portant deux cabines se déplace sur un rail de roulement le long de la tour Eiffel entre le rez-de-chaussée et le deuxième étage. Son déplacement entre deux étages peut être décomposé en trois phases : une phase d’accélération, une phase de maintien de la vitesse à 2 m/s et une phase de décélération. Durant ces trois phases, le schéma de régulation change pour s’adapter aux contraintes.

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teurs prédictifs PCR. La bibliothèque PCR de Schneider Electric est basée sur une méthode similaire à la PFC (Predictive Fonctionnal Controler). Cette solution a été mise en œuvre sur l’ascenseur est de la tour Eiffel à travers notamment deux régulations : la vitesse et l’isonivelage.

La régulation de vitesseLa régulation de vitesse contrôle le déplace-ment de la cabine entre deux étages. Ce dé-placement peut être décomposé en trois phases : une phase d’accélération, une phase de maintien de la vitesse et une phase de décélération. Durant ces trois phases, le schéma de régulation change pour s’adapter aux contraintes.Durant la première phase, l’accélération de la cabine, qui passe de 0 à 2 m/s en 4 secondes, introduit un effet élastique sur les câbles de la cabine. Le régulateur, qui amène la cabine en 4 secondes à la vitesse de 2 m/s, doit

donc être dynamique. D’autre part, il ne doit pas entretenir l’effet élastique, c’est-à-dire être mou sur la réaction à l’écart entre la valeur mesurée et la valeur de consigne. Le choix s’est donc tout de suite porté vers un régulateur à modèle IMC auquel a été ajouté un filtre de robustesse. Ce régulateur autorise la maîtrise du comportement dynamique sur sa réaction en boucle ouverte. En effet, puisqu’on intègre un modèle de comporte-ment de la cabine, on connaît l’ouverture d’anneau du moteur à huile, nécessaire pour atteindre la vitesse souhaitée à chaque ins-tant. Les moteurs à huile assurent le dépla-cement de la cabine. Le contrepoids est réa-lisé par un système hydraulique. Pour déplacer la cabine, on pilote le débit d’huile sortant des pompes et qui passe dans les qua-tre moteurs de chaque chariot de fosse. La mesure de vitesse de la cabine est prise par une dynamo tachymétrique sur la poulie de fond de fosse. Cependant le modèle n’est

jamais complètement exact puisque la charge dans la cabine varie, les perturbations extérieures (vent, soleil…) évoluent égale-ment. Le régulateur intègre donc une cor-rection en boucle fermée. Celle-ci peut être rendue plus ou moins rapidement en fonc-tion des réglages du filtre.Durant la phase de vitesse maintenue, il est nécessaire de garder la vitesse à 2 m/s. Le schéma de régulation précédent a été con-servé en annulant l’action du filtre de robus-tesse qui n’était plus nécessaire.Dans la phase de décélération, « l’objectif est d’effectuer du “tirs au but” pour arriver exactement à la cote choisie. Il s’agit de la cote de l’étage moins 30 cm afin d’être robuste quelles que soient les per-turbations extérieures. La consigne vitesse qui est en rampe doit être parfaitement respectée si on veut ar-river à la cote définie », indique Olivier Guthmann. Un régulateur PID, ou IMC, seul ne sait pas respecter une consigne en rampe sans écart. Il faut donc rajouter un intégra-teur dans la boucle. Ce régulateur permet d’arriver en tirs au but à la cote choisie. Malgré des perturbations importantes sur la mesure (10 % de bruit sur le signal utile), la commande s’avère à la fois dynamique sur un changement de consigne et robuste par rapport aux perturbations.

L’isonivelage à tous les étagesL’isonivelage est la phase durant laquelle la cabine, qui affiche une capacité de charge de 8 tonnes, se situe à l’étage. Les visiteurs des-cendent et montent dans la cabine. Sans mécanisme de rattrapage, la position de la cabine peut varier jusqu’à 40 cm par l’effet élastique des câbles ! Alors que le niveau de la cabine ne doit pas varier de plus de plus ou moins 3 cm pour ne pas déclencher un défaut grave. Pour régler ce problème, un dispositif de régulation chargée de l’isonive-lage maintient le niveau de celle-ci. Il com-mande des vérins qui tirent directement sur les câbles de la cabine. La mesure du niveau de la cabine est prise par une règle optique qui délivre une information au centimètre près. Deux difficultés principales ont été contournées. La première tient du fait que la mesure n’est fournie qu’au centimètre alors que l’objectif est de ne pas dépasser 3 cm dans le positionnement de la cabine. La se-conde est que le régulateur se doit être dy-namique tout en respectant le confort des passagers. Puisque la règle optique ne per-mettait pas d’avoir une mesure plus précise que le centimètre, les spécialistes de Schneider Electrique ont mis en place un estimateur de position cabine qui, grâce à un modèle ma-thématique intégré, calcule cette position

Régulation de la vitesse cabine

Le principe de la régulation à modèle interne est de prédire le comportement du système et donc de calculer la commande optimum pour que la mesure atteigne la consigne dans le temps paramétré. Pour la régulation de la vitesse de déplacement de la cabine,

le choix s’est porté vers un régulateur à modèle IMC (Internal Model Control) auquel a été ajouté un filtre de robus-tesse. Un régulateur IMC seul ne sait pas respecter une consigne en rampe sans écart. Il faut rajouter un intégrateur dans la boucle.

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Phases de déplacements de la cabine entre deux étages.

Schéma de principe d’un régulateur à modèle avec filtre de robustesse et intégrateur.

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entre chaque centimètre. Ce qui autorise l’obtention d’une mesure linéaire exploita-ble par un régulateur. Le modèle mathéma-tique de l’action des vérins sur le niveau de la cabine est un procédé intégrateur du deuxième ordre. Il fallait un régulateur qui soit à la fois robuste pour encaisser les erreurs de mesures et dynamique pour ne pas dé-

Construite en deux ans à titre provisoire pour l’Exposition universelle de 1889 de Paris, la gigantesque tour métallique conçue par Gustave Eiffel est le premier monument payant visité au monde : près de 7 millions de personnes en 2007. La tour est composée de 18 038 pièces métalliques et 2 500 000 rivets. Depuis l’adjonction de la tour de télévision, sa flèche pointe à 324 mètres. L’ascension

s’effectue soit par les escaliers, soit par les ascenseurs. L’installation de ces appareils a soulevé de nombreux problèmes techniques : contraintes de hauteurs et de charges, axes en pente et des angles divers… Dans les piliers est et ouest, des ascenseurs, qui desservaient le 1er étage, furent installés par l’entreprise française Roux, Combaluzier et Lepape. Peu efficaces, ils furent remplacés en 1899 par des ascenseurs hydrauliques construits par Fives-Lille. Ils ont été mis aux normes actuelles en 1980. Schneider et Spie sont intervenus en 2004 pour rénover le contrôle commande de l’ascenseur du pilier est et optimiser son fonctionnement.

Des ascenseurs pas comme les autres

passer le seuil de défaut du niveau de la cabine. Il devait également permettre de jouer sur la forme de réaction de la com-mande par rapport à un écart mesure/con-signe de façon à assurer le confort des pas-sagers. Schneider Electric a opté pour le régulateur prédictif PCR qui prend en compte ces contraintes. L’horizon de prédic-

Principe de fonctionnement de l’ascenseur du pilier estLe chariot portant les deux cabines se déplace sur un rail de roulement le long de la tour Eiffel entre le rez-de-chaussée et le deuxième étage. L’entraînement est réalisé par deux ensembles de trois câbles de traction, situés de part et d’autre du chariot. Les cabines sont munies d’un système de correction de l’inclinaison, les maintenant horizontalement, quelle que soit la pente du rail de roulement, pour le confort des passagers.Le “chariot cabines” est entraîné par un ensemble d’équipe-ments hydrauliques (huile + eau), situé dans les sous-sols de la tour Eiffel.Cet ensemble est constitué de :2 vérins entraînants un dispositif de “chariots fosses” (ou

“porte-moufles mobiles”).

2 ensembles de "chariots fosses" ayant un rôle démultiplica-teur (rapport de 8). Pour un déplacement du vérin de 16 m environ, le “chariot cabines” sur la tour Eiffel se déplace de 128 m. 8 moteurs à huile assurent le déplacement du “chariot fosse”, le long d’un rail de roulement.

2 contrepoids mettent l’eau du circuit hydraulique sous pression, ayant un rôle de contrepoids et représentant environ 2/3 de la puissance totale nécessaire à la charge.

2 ensembles de 3 vérins d’isonivelage corrigent le niveau de la cabine à chaque étage, en fonction de la charge des passagers dans les cabines. Ils sont installés en extrémité des câbles de traction près des presses, en sous-sol.

tion et le temps de réponse en boucle fermée assurent la dynamique de la réponse tout en jouant sur la forme de celle-ci. Résultat : mal-gré des variations de poids importantes, la régulation tient l’écart maximum autorisé (+/- 3 cm) tout en assurant un confort op-timal pour les passagers.Ces dispositifs de régulation, en service depuis 2005, ont fait leur preuve. Le taux d’indispo-nibilité de l’ascenseur a chuté à 1 % contre quelque pour cent auparavant. Aujourd’hui, grâce à cette technique, le nombre de pannes dues à la régulation est devenu négligeable par comparaison à l’ancien système qui em-ployait la technologie de type PID.Ainsi dans l’industrie de production, les ré-gulations classiques de types PID suffisent dans un certain nombre de cas, mais dans les situations plus difficiles, ou lorsque les exigences de qualité sont importantes, la commande avancée (régulation prédictive PCR ou à modèle IMC), maintenant facile-ment accessible, offrent de réels avantages : facilité de mise en œuvre, performance, pro-ductivité, économie d’énergie, faible temps de retour sur investissement, diminution des pannes…

Youssef Belgnaoui avec la collaboration de Olivier Guthmann, chargé d’études

chez Schneider Electric

Le chariot portant deux cabines est entraîné par un ensemble d’équipements hydrauliques. Un dispositif hydraulique à eau se charge du contrepoids. Huit moteurs à huile assurent la traction par l’intermédiaire de deux chariots fosses (photo ci-contre) situés dans le sous-sol. Pour un déplacement de 16 m du vérin, la cabine grimpe de 128 m.