Contrôle haute vitesse de machines de moulage hydrauliques avec NI CompactRIO et LabVIEW FPGA

Author(s):
Catterina Paolo - EUROelectronics srl

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabWindows/CVI, FPGA Module, Real-Time Module, CompactRIO

The Challenge:
Développer un système de contrôle à boucle fermée pour un cylindre hydraulique à la fois économique et très fiable.

The Solution:
Utiliser les performances haute vitesse du NI CompactRIO afin de développer une architecture système durcie qui satisfait les besoins draconiens de notre système de contrôle.

 

EUROelectronics est un fabricant de machines à qui on a demandé de concevoir un système de contrôle de cylindre hydraulique à boucle fermée pour une machine de moulage. La presse haute vitesse se déplace entre 0 et 10 m/s et par conséquent nécessite un système de contrôle haute vitesse. Pour relever ce défi, nous nous sommes reposés sur le module NI LabVIEW FPGA et le matériel CompactRIO. Avec le FPGA intégré au contrôleur CompactRIO, nous avons pu développer un système capable d'une personnalisation bas niveau en utilisant des outils vendus dans le commerce. Pour satisfaire les besoins tout à fait uniques de l'application, nous avons mis en place une interface d'encodeur hautement optimisée dans le FPGA pour mesurer la position du cylindre tout en programmant le système entièrement dans NI LabVIEW.

En gros, le système contrôle la position du cylindre pour faire le suivi des valeurs de la trajectoire de vitesse et d'accélération entrées par l'opérateur. L'opérateur peut contrôler le mouvement du cylindre via un algorithme PID. Le retour du capteur de pression est de l'ordre de quelques millisecondes, entièrement compatible avec la vitesse de traitement du CompactRIO.

Le profil de mouvement et d'autres paramètres sont partagés via Ethernet, avec un PC lançant une application logicielle de supervision complète pour la machine. Nous avons mis en place cette interface opérateur avec le logiciel NI LabWindows/CVI. Cette application offre aussi des fonctionnalités de diagnostic et de contrôle/commande de machines en mesurant la qualité du mouvement et la répétabilité, effectuant des mesures d'acquisition de données industrielles des variables du processus (positions, vitesses, pressions, températures) et en rapportant des statistiques pour la certification de la qualité.

Le contrôle de position et de pression d'un cylindre hydraulique est une application courante en automatisation industrielle, mais le contrôle de précision de tels systèmes a toujours posé problème à cause de leurs vitesses et de leurs pressions élevées.

Dans notre application, le cylindre se déplace sur une trajectoire définie par logiciel avec des profils d'accélération et de vitesse spécifiques, qui doivent garantir la précision et la répétabilité à une vitesse maximale de 10 m/s. Pour garantir la fiabilité du contrôle de freinage et d'accélération du cylindre, la fermeture de la boucle doit s'effectuer à des vitesses de traitement de 1 kHz.

La première chose à considérer au moment de choisir un système d'acquisition est la qualité des capteurs nécessaires pour la mesure et la position de la pression. Dans notre cas, nous avons utilisé des capteurs à bandes magnétiques linéaires pour mesurer la position. Les capteurs doivent garantir des mesures de précision et de fiabilité, et l'interface de traitement de signaux pour les signaux du capteur doit être rapide et durcie.

Les modules d'entrée analogique livrés avec le CompactRIO offrent une excellente précision, et nous avons pu mettre en œuvre entièrement la fonction d'encodeur pour le contrôle de la position du cylindre en utilisant seulement deux entrées numériques haute vitesse. Grâce au FPGA, les signaux pour encoder les positions ont été traités directement depuis les capteurs. Nous n'avons pas eu besoin de matériel d'amplification ou de traitement intermédiaire, et nous avons obtenu une réduction évidente du bruit ainsi qu'une augmentation correspondante de la vitesse de traitement.

Le mouvement du cylindre doit suivre, avec précision, les profils de position, de vitesse et d'accélération que le logiciel de supervision a prédéterminés. Dans un cyle de traitement supérieure à 1 ms, la position de la vanne est mesurée, la vitesse calculée et les deux sont comparées au point de consigne, et le mouvement est corrigé en utilisant un algorithme PID. Pour conserver le circuit hydraulique équilibré, les valeurs de pression à l'avant et à l'arrière du cylindre sont contrôlées en simultané afin d'éviter des pics instantanés. L'interface complète avec la machine est constamment et parfaitement tenue par un programme temps réel CompactRIO, remplaçant un contrôleur logique programmable traditionnel.

La capacité de cette application à fermer de façon efficace la boucle sur la servo vanne hydraulique n'est possible que si le temps de cycle de traitement est absolument déterministe. De même, le circuit hydraulique doit réagir rapidement, avec précision et de façon répétitive. Dans notre cas, la servo vanne hydraulique a été contrôlée via un signal de sortie analogique.

Le réglage précis de l'algorithme PID a été obtenu en calculant une "table" de linéarisation des valeurs de réponse pour la vanne, qui a un comportement non linéaire unique. Avec cette méthode de prévision du gain PID, nous avons pu obtenir des réponses très précises à la fois à des vitesses basses (comprises entre 0,05 et 0,30 m/s pendant le mouvement de départ du cylindre) et à des vitesses élevées (la vitesse maximale réelle atteint 7,5 m/s).

En utilisant des techniques de lissage et de réaction positive sur le signal de commande, nous avons aussi été en mesure de calibrer l'algorithme PID de sorte que, dans des points de commutation rapide (les positions auxquelles le cylindre doit augmenter ou diminuer aussi vite que possible), le risque d'instabilité du mouvement a été écarté.

Avec le port CompactRIO Ethernet, le système LabVIEW embarqué est capable de communiquer avec l'application de supervision développée sous LabWindows/CVI. Un opérateur peut définir le profil d'injection pour le cylindre de deux façons différentes avec le logiciel de supervision : 1) en entrant des valeurs numériques ou 2) en dessinant les profils de façon interactive via une procédure graphique. L'opérateur peut aussi fixer différents paramètres nécessaires pour effectuer le cycle de la machine, comme la position, la vitesse, la pression et le temps.

En utilisant une carte d'acquisition de données NI PCI-6025E, nous avons aussi ajouté un certain nombre de signaux diagnostiques au logiciel de supervision comme les profils de position, de pression et de température pour chaque injection. Le logiciel de contrôle/commande de machines offre des tracés du fonctionnement de la machine et calcule diverses valeurs de contrôle comme la position de la commutation de vitesse, les vitesses de moyenne et de pic, les durées, les pressions et les températures.

La programmation de CompactRIO avec LabVIEW FPGA a facilité l'implémentation des éléments essentiels du système de commande d'axes avec un traitement très haute vitesse. Nous avons pu mettre en place un contrôle de réaction et de commande sans avoir recours aux outils de développement bas niveau, à une circuiterie personnalisée, ou à des langages de programmation autres que LabVIEW. Les performances du CompactRIO nous ont donné la capacité d'encapsuler le système dans une enceinte durcie, complète et compacte. Nous avons pu obtenir des améliorations conséquentes du processus grâce aux fonctionnalités de contrôle avancées que ce système nous a permis de mettre en œuvre.

Le temps de développement nécessaire à cette application a été réduit de façon importante grâce à cette approche intégrée pour un développement homogène en utilisant les logiciels et matériels National Instruments. Avec ce projet, nous avons pu passer d'une phase de prototypage à une installation finale de la machine en seulement trois semaines.

 

Novembre 2007

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