C’est un pionnier de la transformation digitale. Omniprésent dans les ateliers, où il contrôle le fonctionnement des moteurs électriques, le variateur de vitesse a basculé dans le numérique avant même l’émergence de l’industrie 4.0. Les gains engendrés par cette mutation sont nombreux, tant en termes de rendement énergétique et de support de nouveaux types de moteurs que de remontées des données de terrain vers les systèmes de supervision et de traitement de type big data. Cette transformation s’étend des variateurs d’entrée de gamme coûtant quelques centaines d’euros, que l’on retrouve dans le pétrin du boulanger ou dans une simple pompe, jusqu’aux plus performants, de moyenne tension, utilisés par les industriels électro-intensifs.
La numérisation est visible dès la configuration du variateur de vitesse. «L’opérateur connecte une console ou un PC au variateur pour le configurer. Les menus sont très intuitifs et il suffit de saisir quelques paramètres simples. C’est un moyen d’éviter beaucoup d’erreurs», explique Jean-Marc Pétillon, le directeur technique de Nidec Leroy-Somer Sur le modèle des assistants d’installation des applications informatiques, les constructeurs proposent des applications pour effectuer la configuration en quelques étapes. Une approche qui permet de faire face au manque de spécialistes et de déployer ces équipements sans recourir à un expert dont le coût n’est pas justifié pour de petits projets. Dans cet objectif de simplification, certains constructeurs placent une puce RFID ou un QR code sur leurs variateurs afin de réaliser une mise en route via une application mobile. Il suffit de positionner son smartphone au-dessus du variateur pour accéder à sa fiche technique et le paramétrer.
Programmation graphique
D’autres applications sont beaucoup plus ambitieuses. Jean-Luc Lalande, le directeur du marketing et du business development de SEW Usocome, explique la démarche : «Avec notre technologie Movikit, nous proposons une trentaine de logiciels prêts à l’emploi pour la robotique, le contrôle de mouvements, la réalisation de tâches de transstockeur…» Le savoir-faire de l’intégrateur est en quelque sorte incorporé dans ces logiciels et la programmation du variateur est effectuée de manière graphique sur l’écran, en connectant des symboles les uns aux autres.
Les mouvements d’un robot peuvent ainsi être programmés sans écrire de code informatique. L’expert donne un exemple complexe : «Ce système facilite la mise en œuvre d’applications avancées, notamment le MAC [Multi axis control, ndlr], avec plusieurs moteurs qui travaillent sur un même axe.» Le logiciel répartit la puissance, donc l’effort, sur les différents moteurs placés sur un arbre ou un pont roulant. «Si le client a besoin de quatre moteurs pour un transstockeur, il configure son variateur en indiquant simplement des éléments comme la taille des roues», précise Jean-Luc Lalande.
Les variateurs basiques sont commandés de l’extérieur depuis un bus de données, alors que les plus évolués disposent d’un automate totalement intégré.
— Philippe Châtel, responsable commercial de Lenze
À l’opposé de cette approche packagée, certains intégrateurs veulent disposer de l’accès à la puissance de calcul embarquée pour créer leurs propres applications. Dès lors, les variateurs doivent être ouverts à un code externe et proposer des environnements de développement pour porter ces applications sur mesure. Leurs architectures sont elles aussi diverses, souligne Philippe Châtel, le responsable commercial de Lenze : «Les variateurs basiques sont commandés de l’extérieur depuis un bus de données, alors que les plus évolués disposent d’un automate totalement intégré. Le choix de l’architecture dépend de l’intégrateur. Une machine qui compte beaucoup d’axes aura un contrôleur avec plusieurs variateurs. Pour éviter d’avoir trop de composants, une petite machine pourra n’être équipée que d’un variateur avec un automate intégré cumulant toutes les fonctionnalités.»
Les 4 critères clés de choix d'un variateur de vitesse
Intégrateur de variateurs de vitesse, Tech Drive intervient sur de grands projets industriels et sur la mise en place de bancs d’essai équipés de moteurs électriques à hautes performances. Selon Pascal Herbaut, son directeur technique, quatre principaux critères doivent être pris en compte lors de l’achat d’un variateur.
RAPIDITÉ DE TRAITEMENT
«Disposer d’une bonne puissance de traitement embarquée peut être nécessaire pour des opérations qui ne peuvent tolérer la latence induite par le réseau. Sur des applications de positionnement, par exemple, il faut de la performance. Il faut disposer d’une grande puissance de calcul et avoir la capacité d’exécuter des programmes évolués au niveau du variateur.»
OUVERTURE AUX BUS DE TERRAIN
«Les industriels ont besoin de s’assurer du bon fonctionnement des variateurs et des moteurs et d’être informés sur les pannes le plus tôt possible. Ils s’orientent de plus en plus vers la maintenance préventive car les périodes d’arrêt de chaîne leur coûtent très cher. Faire remonter les données est indispensable, c’est pourquoi les variateurs doivent supporter les principaux réseaux industriels.»
SÉCURITÉ DE L'OPÉRATEUR
«Un variateur doit offrir des fonctions de sécurité STO [Safe torque off, ndlr] pour que l’opérateur puisse mettre les mains dans la machine sans risque. Il faut aussi pouvoir garantir sa sécurité alors que la machine est en fonctionnement. Ces protections sont aujourd’hui placées au sein même des variateurs.»
PROGRAMMABILITÉ DU MATÉRIEL
«Pour certaines applications, comme l’enroulage et le déroulage, nous avons besoin de faire des calculs évolués, de la programmation. Nous choisissons des variateurs dotés d’un automate programmable et nous travaillons beaucoup avec la plateforme de développement CoDeSys pour intégrer nos programmes au plus près des moteurs.»
© Tech Drive
Précision accrue
Le numérique a aussi apporté aux variateurs la capacité de piloter tous types de moteurs électriques. Intégrant de multiples modèles numériques de contrôle, ils peuvent gérer les moteurs asynchrones, synchrones, mais aussi contrôler ceux de nouvelle génération sans terres rares et en optimiser le rendement. En exécutant les applications directement au niveau du microprocesseur embarqué, il devient possible de commander finement les moteurs synchrones à la manière d’un servomoteur pour obtenir un positionnement très précis. «On envoie au variateur des profils d’accélération, de freinage et de retour, détaille Philippe Châtel. On ne peut espérer atteindre la précision d’un servovariateur au dixième de millimètre, mais pour certaines applications logistiques, par exemple, une précision de quelques millimètres est suffisante.»
Le variateur est devenu un ordinateur communicant, ce qui permet de générer des données de fonctionnement afin d’alimenter les consoles de supervision. «L’opérateur peut connecter une console sur le variateur, mais ce dernier est aussi monitoré en permanence à l’échelle de l’installation industrielle. On peut surveiller en temps réel sa consommation, détecter un défaut de fonctionnement, vérifier que la température n’est pas trop élevée…», énumère Jean-Marc Pétillon. Des données qui alimenteront des algorithmes de maintenance prédictive des équipements.
Hub de communication
En outre, avec ses entrées et sorties analogiques et numériques, le variateur joue le rôle de hub de communication pour les capteurs. Les plus simples, à l’image des inductifs, on-off et capteurs de distance, qui ne disposent pas d’une connexion réseau, y sont reliés directement. Lenze, par exemple, propose une compatibilité avec le système de communication IO-Link pour capteurs et actionneurs, le variateur se comportant en maître sur lequel on connecte des modules esclaves.
«Ce bus est limité car il ne peut s’étendre à plus de 20 mètres autour du master, mais ce n’est pas un problème car des variateurs sont déployés un peu partout dans l’installation industrielle», souligne Philippe Châtel. Les données sont exploitées par une application chargée dans l’automate du variateur ou envoyées vers une architecture edge. «Derrière IO-Link, il y a souvent une passerelle vers une base de données interne ou vers le cloud pour certaines applications. On passe en général par un module EtherCAT», précise le responsable de Lenze.
Sur les couples variables comme les pompes et les ventilateurs, le fait de baisser le débit de seulement 20% divise par deux la puissance consommée.
— Édouard van den Corput, responsable marketing de l’offre Motor management de Schneider Electric
Le spécialiste des équipements électriques et des automatismes industriels Schneider Electric a intégré les variateurs dans son architecture EcoStruxure. L’efficience énergétique est l’un des gains attendus, raconte Édouard van den Corput, le responsable marketing de l’offre Motor management du groupe : «Nous voulons apporter une orientation service à nos variateurs. En optimisant les process, en particulier sur les fluides, les pompes et les ventilateurs, nous réduisons la consommation d’énergie de manière significative. Sur les couples variables comme les pompes et les ventilateurs, le fait de baisser le débit de seulement 20% divise par deux la puissance consommée.»
Interopérabilité de ses équipements
L’architecture EcoStruxure met en œuvre trois couches. La plus basse, composée des objets connectés, dont les variateurs de vitesse, de certains contacteurs et des IHM (interfaces utilisateur), alimente une couche edge qui collecte les données. Au-dessus, se trouve la partie supervision, avec le logiciel Aveva qui assure la gestion globale de l’infrastructure et la délégation de la surveillance des process. «Nos informations transitent par un réseau ethernet. Il supporte d’importants flux de données et, surtout, c’est un système de communication universel.»
Des IHM graphiques pour une mise en œuvre facilitée
© Schneider Electric
Les constructeurs rivalisent d’imagination pour réduire la difficulté et les délais de mise en place de leurs variateurs de vitesse. Tous sont dotés d’interfaces graphiques grâce auxquelles la première configuration s’effectue par la saisie de quelques paramètres. Outre l’élimination d’éventuelles erreurs, cette approche permet permet une installation sans faire appel à un expert. Ces interfaces sont accessibles via l’écran intégré ou sur une application web.
Schneider Electric travaille sur l’amélioration de l’interopérabilité de ses équipements, notamment sur leur intégration à des architectures universelles compatibles avec le protocole OPC-UA (Open platform communications unified architecture). L’objectif est d’aider les industriels, en particulier ceux du secteur automobile, à rendre facilement interopérables leurs équipements, quels que soient leur marque et leur système d’exploitation. Cette interconnexion accrue dans les ateliers pose des questions de sûreté de fonctionnement et de cybersécurité, d’autant que de plus en plus d’équipements partagent le même réseau physique.
Pour les protéger contre les cyberattaques, les fabricants commencent à équiper leurs variateurs du profil de sécurité Profisafe et du protocole CIP Safety. Apparaissent ainsi des fonctions comme la gestion des droits selon les utilisateurs et des protocoles de validation plus évolués pour intervenir sur la configuration. Le variateur de vitesse reste à la pointe de l’industrie 4.0.
Accompagner l’évolution vers des moteurs sans terres rares
Renault produit des moteurs sans terres rares, à l’image de celui de la Zoé, de type synchrone à rotor bobiné et couplé à un variateur de vitesse. © Pascal Guittet
Pour gérer divers types de moteurs électriques, des modèles de simulation sont embarqués dans les variateurs. Ceux-ci optimisent le courant délivré pour faire démarrer le moteur et l’exploiter en limitant sa consommation d’énergie. Cette évolution résulte des directives européennes imposant des augmentations de rendement, mais aussi de l’arrivée de nouvelles technologies de moteur. «Le travail sur le contrôle du moteur est un axe essentiel en termes d’efficience énergétique», estime Régis Giraud, le responsable de l’unité Power electronics SUB de Nidec Leroy-Somer.
«Si un variateur est mal adapté au moteur ou à l’application industrielle, la puissance consommée augmentera. Du côté logiciel, nous développons des modèles physiques et mathématiques. Ils sont intégrés dans les microprocesseurs qui sont au cœur des variateurs de vitesse.» Un atout crucial pour les moteurs à réluctance qui, s’ils se passent des coûteux aimants permanents comportant des terres rares, nécessitent un «fine tuning» propre à chaque type de moteur au niveau du variateur pour optimiser leur fonctionnement et leur consommation énergétique. De même, les constructeurs qui produisent à la fois des variateurs et des moteurs peuvent fournir des profils de fonctionnement spécifiques à chaque grand cas d’usage, comme le pompage ou la ventilation.
