Les yeux et les oreilles de l'automatisation

le rôle croissant des capteurs

Heiko Luckhaupt, Category Marketing Manager - Automation & Control, RS Components

 

Pour évaluer les progrès technologiques, on a tendance à s'intéresser principalement à l'augmentation impressionnante de la puissance de traitement. Certes, elle a permis d'intégrer dans nos équipements quotidiens un niveau d'intelligence de plus en plus sophistiqué.

Mais un progrès ne doit pas en cacher un autre. Il faut aussi tenir compte du rôle croissant des capteurs sans qui les unités de traitement centrales ne pourraient pas fonctionner. Votre smartphone serait-il aussi utile et agréable à utiliser sans la technologie des capteurs tactiles résistifs ou capacitifs ? Les consoles de jeu vidéo ne deviendraient-elles pas plutôt lassantes sans la technologie des accéléromètres avancés ?

Nous pourrions faire les mêmes commentaires dans le domaine industriel. Il semble même que tout peut maintenant être mesuré ou détecté pour générer un signal d'entrée exploitable. Des capteurs et des transducteurs sont conçus et fabriqués pour une multitude d'environnements. Mais l'acquisition des signaux ne serait rien sans un système de transmission et de conditionnement pour garantir son arrivée sécurisée dans l'unité de traitement centrale.

L'utilisation croissante des informations visuelles comme signaux d'entrée est probablement la tendance la plus forte dans ce domaine. Les analystes industriels IMS Research estiment que le marché des équipements d'inspection et de détection optiques a progressé de 10 % en 2011 pour atteindre une valeur de 2,9 milliards USD. Ils indiquent qu'en dépit du climat macroéconomique actuel, cette croissance devrait se poursuivre pendant les cinq prochaines années, même si elle restera modeste, sans atteindre les deux chiffres. Actuellement, le secteur de la fabrication représente plus de 80 % de la valeur du marché de la détection-inspection optique. IMS identifie aussi une évolution vers des applications diversifiées dans des domaines incluant le contrôle de la circulation routière, la sécurité, la surveillance, la médecine.

Certains produits, comme les capteurs optiques ZFV Omron, permettent de créer des systèmes de détection intelligents qui auraient été inconcevables il y a seulement quelques années. Ils sont équipés d'une tête de sonde, intégrant une caméra CCD à haute vitesse et un éclairage LED réglable et intelligent, qui communique numériquement avec un module de contrôle/ amplification. Ces têtes de sonde sont disponibles dans une gamme étendue de spécifications, avec un champ de vision variant de 5 à 50 mm. Les amplificateurs offrent des fonctions simples, ou sont programmables/ multifonctions, selon l'application et les besoins des clients.

Le module d'amplification est doté d'un écran LCD et d'un logiciel de configuration rapide qui permet de définir le domaine d'application en quelques commandes sur un clavier. Les algorithmes de base préprogrammés incluent la zone, la luminosité, la largeur, la position, les caractères, les nombres, les modèles. L'écran affiche des informations sur l'échec ou la réussite du processus d'inspection, ainsi qu'une image du produit inspecté.

Figure 1 : La gamme ZFV Omron est spécifiquement conçue pour les inspections visuelles.

 

Disponibles en versions couleur et monochrome, les modèles ZFV sont programmables et peuvent effectuer des inspections à des intervalles de 12 ms, 6 ms ou 4 ms (soit jusqu'à 250 inspections par seconde). Jusqu'à cinq capteurs peuvent être connectés à un seul bus de contrôle. Cinq inspections différentes en une seule passe contribuent ainsi à augmenter la productivité. Offrant une excellente souplesse d'exploitation, chaque système peut stocker jusqu'à huit cibles d'inspection.

Outre les progrès impressionnants des équipements de détection et d'inspection au cours des dernières années, les capteurs traditionnels ont eux aussi bénéficiés d'une évolution rapide. La détection des mouvements et des positions fait partie des fonctions les plus importantes. Par conséquent, une gamme étendue de codeurs de position rotatifs et linéaires est maintenant disponible. Si certains produits offrent un codage absolu, enregistrant la dernière position du système à la mise hors tension, les codeurs incrémentaux répondent aux besoins de la grande majorité des applications.

La gamme DFS60 de SICK Stegmann est un exemple typique de cette nouvelle génération de produits. Basés sur une plateforme programmable, ils intègrent une interface logicielle qui permet de régler la tension de sortie, la position zéro, le compte IPR. Ils offrent des résolutions élevées jusqu'à 65 536 impulsions par révolution (IPR). Le codeur et l'axe du moteur sont isolés pour minimiser les interférences et fonctionner dans des conditions électriques exigeantes. La robustesse électrique est aussi assurée par leur conception physique. Ils incluent un design innovant des roulements et un disque de codage au nickel compatible avec des températures comprises entre -20 °C et +100 °C.

 

Figure 2 : La gamme DFS60 de SICK Stegmann fait partie de la nouvelle génération des codeurs incrémentaux.

 

Offrant un choix de montages axiaux et radiaux, ainsi que des options de signaux de sortie TTL/RS422 et HTL/ push-pull, la gamme DFS60 répond aux besoins d'un vaste éventail d'applications, telles que l'impression, les textiles, les systèmes d'emballage automatisés.

Les sorties de codeur doivent être choisies avec soin en fonction de l'environnement électrique, de l'application et des systèmes de conditionnement externes des signaux. Des fabricants, comme Baumer, offrent donc une gamme de configurations spécifiquement conçues pour ces différentes exigences.

Par exemple, des sorties de commandes de ligne complémentaires peuvent être utiles lorsque les câblages sont longs et en cas d'interférences électromagnétiques. Les sorties push-pull avec une protection contre les courts-circuits sont plus utiles pour les câblages courts. Une sortie sinusoïdale peut être nécessaire si les signaux doivent passer par un processus d'interpolation externe.

Comme le codage, la détection de proximité sans contact est une technologie bien établie et utilisée par de nombreuses applications de positionnement, telles que les opérations de levage fixes et mobiles, la distribution automatisée des aliments pour animaux, l'automatisation de la production agroalimentaire. La tendance actuelle vise à améliorer la performance en combinant une technologie sous-jacente traditionnelle avec des spécifications de pointe, telles que la vitesse de détection, la robustesse et le faible encombrement. Les progrès incluent la réduction des coûts, une plus grande souplesse d'utilisation, avec par exemple le choix entre les alimentations CA et CC.

La gamme Schneider OsiSense réunit des systèmes tous usages et des capteurs conçus pour des applications spécifiques. Ils incluent, par exemple, l'indice de protection IP69K pour les équipements devant subir des nettoyages à haute pression ou à la vapeur, fréquents dans l'industrie alimentaire, et dans d'autres domaines spécialisés comme le lavage automobile.

 

Figure 3 : La gamme OsiSense XS des capteurs inductifs peut être utilisée dans des applications de détection de position, mais aussi de discrimination des métaux ferreux/ non ferreux.

 

Elle intègre la technologie inductive XS pour détecter les objets métalliques jusqu'à 60 mm, et la technologie capacitive XT pour détecter tous les matériaux jusqu'à 20 mm.

Lorsque la détection de position et de présence porte sur des dimensions aussi réduites, les capteurs en fibre optique prédominent. Outre leurs faibles dimensions et leur capacité à détecter des mouvements faibles et de petits objets, ils offrent d'autres avantages : leur résistance aux interférences électriques est très appréciable dans de nombreux environnements. Ils ne génèrent pas de bruit électrique et peuvent donc être utilisés dans les situations à risque d'incendie. Ils fonctionnent à haute température, si le plastique ou la fibre est remplacé par le verre.

Leur principe de fonctionnement est très similaire à celui d'autres systèmes de détection basés sur la lumière. La lumière émise par une diode LED est transportée par une fibre optique jusqu'au système de détection. La tête de détection disperse la lumière dans l'environnement d'inspection. Une certaine partie de cette lumière est réfléchie par des objets et capturée par la fibre optique.

Le système de détection par fibre optique combine donc deux éléments principaux : D'une part, un amplificateur qui génère la lumière et détecte les réflexions et d'autre part la fibre optique. Les amplificateurs disponibles sont numériques ou manuels. Comme le nom l'indique, le type numérique est doté d'un écran numérique qui affiche les valeurs de la lumière réfléchie, captée par la fibre optique ; le point de commutation étant réglable numériquement. Les unités manuelles affichent une barre de progression et un potentiomètre permet de régler le point de commutation.

Différents types de fibres peuvent être utilisés. Une fibre optique en plastique monobrin est la solution la plus courante. Pour bénéficier d'une meilleure précision, les utilisateurs peuvent choisir une configuration coaxiale, où le centre de la fibre transporte la lumière principale et les fibres périphériques la lumière réfléchie. Ce type offre aussi une plus grande efficacité pour détecter des objets qui pénètrent sous n'importe quel angle dans la zone de détection. Un troisième type multibrin réunit une quantité de fibres plus fines. Comme la fibre optique multibrin est extrêmement souple, elle est souvent utilisée dans des applications robotiques, lorsque la tête de détection doit parcourir des distances importantes.

Dans ce domaine, les amplificateurs à fibre optique programmables E3X et les têtes de détection E32 Omron sont représentatifs des fonctionnalités disponibles. Les têtes de détection cylindriques E32 standard offrent une détection fiable des objets, une installation aisée et une excellente longévité des capteurs dans toutes les applications générales. Ils incluent des modèles à dos hexagonal autorisant un montage simplifié. Faciles et rapides à installer sur des surfaces plates, les produits de la gamme E32 incluent aussi des têtes carrées de 3 ou 4 mm d'épaisseur, avec un choix de détection sur les axes X, Y ou Z. Un choix de têtes miniatures est disponible pour des objets compris entre 500 µm et 3 mm, pour la détection dans des espaces confinés. Un capteur coaxial à réflexion diffuse et un objectif supplémentaire permettent d'étendre la portée à 100 µm. Des têtes spéciales dotées d'un objectif longue distance autorisent des détections jusqu'à 20 m.

La gamme d'amplificateurs E3X inclut le modèle E3X-HD, qui combine un écran numérique double pour les relevés et les points de consigne, une configuration simple de la puissance dynamique avec un seul bouton, des unités de communication EtherCAT et ComponNet.

Figure 4 : Le modèle E3X-HD Omron intègre une configuration simple et un affichage double.

 

Les concepteurs peuvent aussi choisir des modèles E3X, offrant une résistance avancée à l'eau, un temps de réponse court à 20 µs pour assurer une détection à haute vitesse. Une version double permet de détecter deux objets simultanément.

 

Conclusion

Du fait de sa brièveté, cet article ne peut que donner un aperçu très limité des possibilités offertes par la technologie de des capteurs modernes. Outre les capteurs lumineux, la détection de proximité et la fibre optique, les systèmes d'automatisation modernes peuvent intégrer des lecteurs de codes à barres, des capteurs d'intensité lumineuse, de couleur et de contraste. Dans l'industrie des plastiques, et sur divers types de machines-outils, le contrôle de la pression et des niveaux des fluides, la mesure des températures et des vitesses d'écoulement sont des fonctions essentielles.

L'importance de ces dispositifs aussi nombreux que variés est souvent sous-estimée. Mais ne vous y trompez pas, aucun système d'automatisation ne peut fonctionner sans ces « yeux » et ces « oreilles ».