Réseau InstrumentationAutomatisme

L. Brunetti, G. Balik, I. Monteiro

Automatisme au LAPP (spécificités et aperçu des projets)

Nos attentes, nos souhaits, nos interrogations…

Fonctionnement

2

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

14

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

28

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