Couverture ElectroniqueS n°127

Le contrôle de mouvement aussi se rationalise. Les réseaux d'informations de terrain évoluent, devant acquérir davantage de souplesse pour suivre à moindre coût les changements des moyens de production. Un leitmotiv auquel les FPGA répondent présents. Historiquement mis en &oelig;uvre avec des solutions purement mécaniques, à base de switchs et autres contacteurs de fin de course, les systèmes de contrôle de mouvement ont connu une première grande mutation lorsque les contrôleurs électroniques analogiques ont fait leur apparition. Leur succès fut principalement dû à une plus grande flexibilité dans le contrôle de la vitesse, ainsi qu'à l'émergence de nouvelles possibilités pour supporter des mouvements toujours plus complexes. L'évolution suivante s'est fondée sur l'emploi de techniques de contrôle numériques, utilisant microprocesseurs, microcontrôleurs et processeurs de traitement du signal. Cette nouvelle étape a permis d'obtenir davantage de souplesse, de performances et de fiabilité pour les systèmes de contrôle de mouvement, avec pour conséquence le déploiement massif de ces solutions dans les équipements actuels. Compte tenu de la tendance à la hausse de la performance des processeurs attendue dans le futur, mais également des possibilités d'intégration offertes par les FPGA, avec les familles à faibles coûts que les fabricants mettent particulièrement en avant, la question peut se poser de savoir si les circuits logiques programmables pourraient devenir la prochaine grande transformation du marché du contrôle de mouvement.Assurément, les processeurs, qu'ils soient génériques ou de traitement du signal, ont vu leur prix baisser régulièrement, sous l'effet de la loi de Moore, et les fabricants de systèmes de contrôle de mouvement ont tiré parti de cette tendance afin de proposer des solutions de plus en plus efficaces à des prix raisonnables. Pour la plupart, leurs offres ont évolué vers davantage de puissance de traitement et de flexibilité près des actionneurs. Cependant, le marché industriel connaît d'importants changements, et la proposition consistant à avoir des systèmes plus rapides et plus intelligents n'est pas suffisante pour satisfaire les nouvelles exigences des clients. A l'heure actuelle, tous les secteurs subissent une forte pression pour réduire les coûts. Et pour celui qui nous concerne, les mesures économiques imposent la création d'usines plus rentables. Cette contrainte induit l'utilisation de systèmes d'information disponibles dans l'ensemble de l'entreprise, et l'emploi de réseaux de contrôle peu onéreux et de systèmes de production susceptibles d'être rapidement reconfigurés, à moindre frais, afin d'adapter l'outil de production à de nouvelles fabrications dans les délais les plus brefs. La diminution des dépenses est sensiblement facilitée par le déploiement de réseaux Ethernet industriels et par la mise en &oelig;uvre d'équipements présentant une forte interopérabilité, pour que les lignes de production soient capables de satisfaire de nouvelles applications. La question est donc de savoir comment les FPGA sont à même d'offrir ces possibilités, permettant ainsi aux clients industriels de réduire leurs coûts.Le contrôle de mouvement en système ouvertLa flexibilité et la puissance, offertes, par la combinaison des FPGA et de l'Ethernet industriel, créent l'opportunité d'ouvrir l'architecture des systèmes de contrôle de mouvement. La tendance à mettre plus d'intelligence près des moteurs est une conséquence directe de la baisse des coûts de la puissance de calcul, mais elle implique que le moteur devienne de plus en plus complexe, nécessite des modèles détaillés des moteurs et le besoin de s'appuyer sur un logiciel propriétaire. En conséquence, l'utilisateur n'a pas la visibilité de la technologie de l'actionneur - certains dispositifs offrent jusqu'à plus de 1 000 paramètres dans le but d'ouvrir leur contrôle, mais ce nombre important rend leur mise en &oelig;uvre laborieuse. De plus, les modèles de moteurs propriétaires rendent impossible, en pratique, l'utilisation d'éléments d'autres vendeurs. Par conséquent, il est difficile de concevoir efficacement son propre système propriétaire, en particulier lorsque des systèmes de contrôle multi-axes sont requis pour réaliser les mouvements les plus complexes.Les systèmes de contrôle de mouvement sont classés selon deux catégories, comme illustré par la figure 3 : les systèmes à contrôle centralisé et ceux à contrôle distribué. Un système centralisé possède plusieurs moteurs et capteurs connectés à un seul contrôleur (ou API, pour Automate programmable industriel). Il procure l'avantage d'être plus économique et plus facile à contrôler. Avec l'avènement d'unités centrales durcies (IPC, pour Industrial PC) de faibles coûts, ce type d'application est de plus en plus répandu, bien que limité par la puissance de calcul et la quantité d'entrées/ sorties gérée par l'IPC.Dans un système distribué, en revanche, chaque moteur dispose de son propre processeur pour contrôler localement son mouvement. Cette approche est plus coûteuse et tend à surdimensionner la puissance de calcul, mais elle offre l'intérêt de permettre la réalisation de systèmes complexes. Fréquemment, l'interaction entre les nombreux axes impose l'utilisation d'IPC en combinaison avec un système de contrôle, basé sur une horloge reposant sur le standard IEEE 1588. Cela induit un surcoût et un gaspillage supplémentaire de ressources de calcul dans le système.Il est intéressant de combiner les avantages du système centralisé - faible coût et contrôle simplifié - avec ceux du système distribué, notamment l'effet d'échelle permettant de supporter des systèmes plus complexes avec d'excellentes performances. Une telle approche est aujourd'hui rendue possible grâce à l'utilisation de l'Ethernet industriel. Certaines variantes, telles que EtherCAT ou Sercos III, offrent des possibilités de communication temps réel qui permettent l'emploi d'une connexion rapide avec de faibles latences entre les différents contrôleurs et l'unité centrale industrielle. Cela évite les problèmes d'entrées/sorties trop importants au niveau de l'IPC, et autorise la gestion d'un grand nombre de moteurs/capteurs par un processeur unique.Les calculs spécifiques liés aux moteurs, tels que le contrôle du courant, l'observation de la vitesse, peuvent être effectués localement au niveau de chaque moteur. Dans un FPGA, ces calculs, même les plus complexes, sont facilement assurés en moins de 100 ns. Cela soulage l'IPC et la connexion Ethernet de tâches lourdes consistant à transmettre et manipuler des données nombreuses de bas niveau. L'unité centrale se cantonne alors aux tâches de plus haut niveau liées au contrôle de la vitesse et de la position. Ainsi, la combinaison de réseaux rapides Ethernet industriel et du FPGA donne la possibilité à l'IPC de réaliser une architecture centralisée pour de nombreux moteurs. Cela simplifie également l'implantation des algorithmes de contrôle sur l'IPC, ouvrant ainsi le système et donnant à l'utilisateur le contrôle intégral du dispositif.

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