La configuration de labo Advanced Motion Control de la KU Leuven Campus De Nayer plonge les futurs ingénieurs industriels dans la réalité du terrain

04-01-2022

Beaucoup d’entreprises sont confrontées à une pénurie d’ingénieurs. Pour rendre la formation d’ingénieur industriel plus attractive et plus en phase avec la réalité de terrain, la KU Leuven Campus De Nayer a créé une configuration de labo Advanced Motion Control complète avec des composants industriels de Siemens. Elle permet aux étudiants de se familiariser avec tous les aspects de la construction des machines industrielles : depuis l’automatisation et la sécurité fonctionnelle jusqu’à la technique de régulation avancée.

« Cela faisait longtemps que nous pensions à créer une installation Motion Control intégrant un maximum de fonctionnalités d’automatisation et de sécurité fonctionnelle », explique dr.ir. Michel Van Dessel, spécialiste en entraînements électriques et automatisation, professeur à la Faculté des Sciences de l’ingénieur industriel de la KU Leuven. « En choisissant des composants industriels, nous facilitons aussi la transposition dans la pratique. Cette idée a vu le jour en collaboration avec mon collègue ingénieur Wouter Sas, assistant en électricité et automatisation sur le Campus De Nayer de la KU Leuven. »

Entraînement flexible et performant

Le projet a été mis sur les rails grâce à un don du site Continental Automotive à Malines, qui a offert un moteur linéaire synchrone excité par des aimants permanents au Campus De Nayer. « Notre but était de construire une configuration totalement fonctionnelle avec un pendule inversé, monté sur un chariot entraîné par le moteur linéaire », précise dr.ir. Michel Van Dessel. « Auparavant, l’aspect pratique des leçons sur le motion control se limitait à régler la vitesse d’un moteur rotatif. Mais les étudiants doivent aussi pouvoir expérimenter avec de ‘vrais mouvements’ et comprendre notamment l’importance des fonctions de sécurité. »

 

Pour créer une configuration offrant les performances requises, la KU Leuven Campus De Nayer a fait l’acquisition – par l’intermédiaire du programme Siemens Automation Cooperates with Education (SCE) – de plusieurs composants essentiels, dont un contrôleur d’asservissement Sinamics S120 avec un module de commande CU310-2PN. Ceci a permis d’offrir non seulement la précision et la performance de régulation nécessaires, mais aussi une grande flexibilité pour multiplier les configurations et les scénarios éducatifs. Par ailleurs, la KU Leuven Campus De Nayer a également choisi un système périphérique Simatic ET 200SP avec CPU 1515SP PC2F intégrant une fonctionnalité HMI pour le pilotage et la visualisation de l’interface de commande. La plateforme Totally Integrated Automation Portal réunit l’équipement électronique et le logiciel en un ensemble performant.

 

Dr.ir. Michel Van Dessel: « Nous avons acquis beaucoup d’expérience en technologie Siemens sur notre campus. Depuis 2003, nous utilisons par exemple des Simovert Masterdrives et des entraînements Sinamics de Siemens dans des projets de recherche et de service ainsi que dans les labos d’enseignement. Nous avons aussi une bonne maîtrise du fonctionnement et de la programmation des PLC Simatic S7: le Campus De Nayer est un Siemens Competence Center reconnu pour la programmation des PLC. »

Centré sur la technologie Siemens

La configuration Linear Motion Control créée sur le Campus De Nayer se compose d’un moteur linéaire HIWIN LMS 17 entraîné par un contrôleur d’asservissement Sinamics S120 de Siemens avec module de contrôle CU310-2PN. À cela s’ajoute un Siemens Simatic ET 200SP Open controller de type SIMATIC CPU 1515SP PC2F. Ce dernier est basé sur une plateforme PC industrielle et capable d’exécuter le code compilé d’un MATLAB-Simulink, par exemple, en plus de son rôle de PLC, fonctions de sécurité et HMI conventionnels.

Dr.ir. Michel Van Dessel: « Grâce á l’utilisation du Open Controller, nous pouvons appliquer une technique de régulation avancée faisant appel au full-state feedback modeling sur le positionnement du chariot et du pendule inversé monté sur le chariot. C’est également utile pour modéliser la stabilisation du mouvement de balancier d’une grue ou contrôler un pendule inversé. »

Pour la fonctionnalité motion control de base du chariot – indépendamment du comportement du pendule –, la configuration réalisée par la KU Leuven Campus De Nayer utilise des objets technologiques dans le logiciel de projet TIA Portal. Les fonctionnalités Safety Integrated du contrôleur et de l’entraînement assurent la sécurité de la configuration et de son utilisateur, et sont configurées avec TIA Portal.

Engineering experience: Excellence in Drive commissioning

Un certain nombre de composants individuels n’est pas suffisant pour créer une configuration de test fonctionnelle. C’est pourquoi dr.ir. Michel Van Dessel a demandé en 2019 à un de ses étudiants en thèse d’imaginer et de réaliser un concept mécanique et électrique complet pour la configuration de test Advanced Motion Control. Cet étudiant a également écrit une première version du programme PLC pour la commande de la configuration de test, y compris la sécurité fonctionnelle et la HMI. L’année académique suivante, le chef de projet a créé une équipe avec une étudiante pour l’intégration système de tous les composants, la mise en service de l’entraînement et de la configuration ainsi que les essais du prototype.

 

« Le grand défi lors de la mise en service de la configuration consistait à déterminer la position du forcer au démarrage de l’entraînement Sinamics S120 à l’aide d’une pole position identification routine. Si ce processus n’est pas réalisé correctement et de manière optimale, il est impossible de contrôler avec précision les mouvements du forcer. Après avoir beaucoup expérimenté, nous sommes finalement parvenus à réaliser la procédure d’initialisation avec les réglages corrects. Tout cela est actuellement intégré dans le programme du PLC.

 

Le fait que l’entraînement soit Siemens, mais pas le moteur linéaire ni le capteur de position, a entraîné un défi supplémentaire et une complexité lors de la mise en service de la configuration. Grâce à la documentation pratique et complète disponible sur Siemens Industry Support (manuels d’ingénierie), nous avons résolu le problème nous-mêmes. Nous avons pu compter sur l’expérience acquise lors d’autres projets avec des entraînements Siemens, notamment un projet d’alternateur synchrone excité par aimants permanents pour petites éoliennes, piloté par un convertisseur Simovert Masterdrives Motion Control et relié au réseau via un module Active Front End. C’est aussi un projet qui a été réalisé sur le Campus De Nayer. »

Un labo pour l’Advanced Motion Control

Dans l’intervalle, la première configuration de labo complète et transportable a été optimisée et finalisée, avant son utilisation pour les cours pratiques l’année prochaine. Une deuxième équipe d’étudiants travaille actuellement sur deux configurations de labo supplémentaires qui seront identiques au prototype déjà réalisé. Elles permettront à dr.ir. Michel Van Dessel de construire un laboratoire Advanced linear motion control totalement équipé, qui sera mis à la disposition des futurs ingénieurs industriels en électromécanique, option automatisation et mécatronique, du Campus De Nayer.

 

« C’est une opportunité incroyable pour nos étudiants : ils pourront apprendre à maîtriser la technologie la plus moderne et se familiariser avec la mise en service et la programmation d’une configuration réelle, et pas seulement d’un PLC », conclut-il. « Et en prime, ils pourront tester les fonctions de sécurité en profondeur. Ils seront donc fin prêts pour commencer une belle carrière dans le secteur de la construction des machines industrielles. »

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04-01-2022

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