Intégration d`un nouveau contrôle automatisé des contacteurs de

Transcription

[Sujet]
Intégration d’un nouveau contrôle automatisé des contacteurs de puissance dans
une station de test électrique
Ce projet répond à plusieurs objectifs :
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étude et analyse du fonctionnement de la station de test électrique des contacteurs de
puissance 16/25A fabriqués par Legrand®. Cette étude s’effectue en deux phases :
 analyse de la structure mécanique de la machine : étude des plans mécaniques.
 démystification du programme existant sous l’environnement de programmation
Step7 de SIEMENS.
Intégration d’un nouveau contrôle électrique permettant de contrôler l’ouverture et la
fermeture des contacteurs à quatre niveaux de tension : 85%, 75%, 20% et 0% de la
tension nominale.
La modification du process ne doit pas impacter le coté investissement dans la mesure
du possible et sans modification matérielle (les moyens doivent être adaptés au
besoin).
La modification du process ne doit pas impacter le cycle machine en terme de temps.
Mots clés : Automate Programmable Industriel, Automatisme, station de test,
contacteurs de puissance, SIEMENS, Step7
[Remerciement]
Il m’est agréable de m’acquitter d’une dette de reconnaissance auprès de toutes les
personnes, dont les interventions au cours de ce projet, ont favorisé son aboutissement.
Je tiens tout particulièrement à remercier Monsieur Georges MUTHS pour son encadrement,
son soutien, ainsi que pour ses conseils instructifs durant toute la période de l’établissement
de ce travail.
Merci également à Messieurs Franck FRITSCH et Bruno SPINNER pour leurs conseils
respectivement au sein des services Process Engineering et Produits Existants.
Mes remerciements vont aussi à toutes les personnes des services Process Engineering et
Qualité Production, ils ont su orienter mon travail. Je les remercie pour leur soutien, pour le
temps qu’ils m’ont toujours consacré malgré leurs occupations.
Je souhaite également remercier Monsieur Guy STURTZER pour son suivi et ses conseils tout
au long du projet.
1
Etudiant : BOUKHEFFA Adnane
Tuteur : STURTZER Guy
Intégration d’un contrôle automatisé dans une station de
test électrique- Septembre 2013
[Résumé: Intégration d’un contrôle automatisé dans une station de test électrique]
Legrand® est un Groupe industriel français reconnu mondialement par sa qualité de
production. Le service Qualité Production au sein du groupe doit sans cesse s’assurer que les
contrôles effectués par les lignes répondent aux exigences normatives et ainsi faire évoluer les
spécifications qualité.
En vue de ces spécifications, mon travail consiste à mettre en conformité une machine de test
électrique des contacteurs de puissance, en intégrant un nouveau contrôle automatisé exigé
par la norme internationale CEI 60947-4-1.
Après une analyse multicritère de l’existant et du cahier des charges, j’ai déterminé les
moyens d’intégration du nouveau test dans le cycle machine et sa faisabilité. Cela a demandé
une analyse précise des critères relatifs au temps cycle et à la fiabilité de la machine. Une
proposition software concrète a été mise en place pour répondre aux exigences.
Au fil du projet, l’étude a traité les notions liées à la programmation API, les Interfaces
Homme Machine, les instruments de mesure, les outils de test et la validation fonctionnelle
des moyens d’essais.
[Abstract: Integration of an automatic control for electrical test station ]
Legrand® is a French industrial Group known by its manufacturing quality.
The Quality Department has to improve the flow lines technology in order to update the
Quality specifications in compliance with international standards.
In order to acquire these specifications, my work consists in back fitting an electrical test
station for power contactors by adding a new automatic control in compliance with IEC 609474-1.
After a Multicriteria Analysis of specifications, I determined the integrating means of the new
process in the machine cycle. This required a specific analysis of criteria linked to cycle time
and machine’s reliability. Software proposal has been implemented to meet the requirements.
Over the project, the study has addressed knowledge linked to PLC programming, Human
Machine Interface, measure instruments, test tools and functional validation of testing means.
2
Sommaire
1.
Préambule ...................................................................................................................... 7
1.1.
L’industrie et les API ........................................................................................................ 7
1.2.
Le sujet : intégration d’un contrôle électrique dans la station de test des contacteurs ............ 7
2.
Présentation de l’entreprise d’accueil ............................................................................ 8
2.1.
Groupe legrand® ............................................................................................................. 8
2.2.
Historique du Groupe ....................................................................................................... 8
2.3.
Legrand® Strasbourg ....................................................................................................... 9
3.
Le service Qualité Production ...................................................................................... 11
3.1.
Présentation du service ...................................................................................................11
3.2.
Organisation du service ...................................................................................................12
3.3.
Analyse du service Qualité Production ..............................................................................12
4.
Le contexte .................................................................................................................. 13
4.1
Les contacteurs de puissances legrand® ...........................................................................13
4.2
Principe de fonctionnement d’un contacteur de puissance ..................................................13
4.3
Choix d’un contacteur de puissance .................................................................................14
4.4
Principe de test : norme CEI 60947-4-1 ............................................................................14
5.
La ligne des contacteurs de puissance ......................................................................... 15
5.1
La ligne TELE-CONTACTEUR ............................................................................................15
5.2
La station de test électrique SIASUN® ..............................................................................17
5.3
Analyse fonctionnelle ......................................................................................................17
5.4
Schéma SADT (Structured Analysis and Design Technic) du contrôle électrique ...................18
6.
Problématique .............................................................................................................. 19
6.1
La visite d’inspection du site de Strasbourg .......................................................................19
6.2
Cahier des charges .........................................................................................................20
7.
Conception mécanique ................................................................................................. 20
7.1
Conception globale .........................................................................................................20
7.2
Conception du poste 4 du test électrique ..........................................................................21
8.
La source d’alimentation à découpage Elgar® .............................................................. 22
8.1
Présentation...................................................................................................................22
8.2
Communication avec la CPU ............................................................................................22
8.3
Le programme SCPI ........................................................................................................23
9.
Architecture Hardware ................................................................................................. 24
9.1
Architecture générale ......................................................................................................24
9.2
Multimètre programmable de mesure ...............................................................................26
3
9.3
Source de tension HT programmable................................................................................26
9.4
La FM-353 (Commande des moteurs pas à pas) ................................................................26
9.5
L’automate SIMATIC S7-300 ............................................................................................27
10. La sécurité des machines ............................................................................................. 27
10.1
Le software comme complément au principe de la sécurité câblée (APIdS) ..........................27
11. Programmation automate ............................................................................................ 28
11.1
L’environnement Step7 de SIEMENS ................................................................................28
11.1.1
La programmation et l’organisation des blocs ............................................................ 28
11.1.2
L’adressage dans les automates SIEMENS : une particularité ...................................... 29
11.1.3
Configuration hardware ........................................................................................... 29
11.1.4
L’interfaçage homme-machine ................................................................................. 30
11.1.5
Le simulateur.......................................................................................................... 31
12. Développement software ............................................................................................. 31
12.1
Analyse et développement ..............................................................................................31
12.1.1
Les blocs-programmes............................................................................................. 31
12.1.2
Architecture du programme principal ........................................................................ 32
12.1.3
Algorithme simplifié du programme principal ............................................................. 33
12.1.4
Algorithme complexe du nouveau test électrique : FC34 (Post 4) ................................ 34
12.1.5
Principe de fonctionnement du programme de communication : FC55 ......................... 36
12.1.6
Adaptation d’une IHM de test manuel sous WinCC Flexible ......................................... 37
13. Validation et mise en œuvre du nouveau soft .............................................................. 39
13.1
Simulateur pour la visualisation du test en temps réel........................................................39
13.2
Visualisation des tensions d’alimentation ..........................................................................40
13.3
Contraintes techniques....................................................................................................42
13.3.1
Problématique ........................................................................................................ 42
13.3.2
Optimisation ........................................................................................................... 43
13.3.3
Cycle machine ........................................................................................................ 43
13.4
Conception et passage de leurre ......................................................................................43
13.5
Implémentation du nouveau test en Turquie .....................................................................44
13.6
Procédure interne de validation de l’action corrective .........................................................45
13.7
Mise à jour des documents internes .................................................................................45
13.7.1
Spécification qualité ................................................................................................ 45
13.7.2
Mode opératoire ..................................................................................................... 46
Suivi et revue de projet ...................................................................................................... 47
Conclusion .......................................................................................................................... 48
4
1.
Apports du projet et conclusions techniques .....................................................................48
2.
Apports personnels de l’expérience ..................................................................................48
Bibliographie ...................................................................................................................... 50
Glossaire ............................................................................................................................. 51
Sommaire des annexes....................................................................................................... 52
Table des figures
Figure 1 : PHOTO DE LA STATION DE TEST ELECTRIQUE ........................................................................................... 7
Figure 2 : LES OFFRES « PRODUITS » LEGRAND®....................................................................................................... 8
Figure 3 : INTERRUPTEUR DE TYPE TUMBLER EN PORCELAINE ................................................................................ 9
Figure 4: INTERRUPTEUR DIFFERENTIEL .................................................................................................................. 10
Figure 6: DISJONCTEUR DE BRANCHEMENT ............................................................................................................ 10
Figure 5 : INTERRUPTEUR SECTIONNEUR ................................................................................................................ 10
Figure 7: COMMUTATEURS ..................................................................................................................................... 10
Figure 8: ENSEMBLES BOUTONS ............................................................................................................................. 10
Figure 9: RELAIS DIFFERENTIEL ................................................................................................................................ 11
Figure 10: ORGANISATION DU SERVICE QUALITE PRODUCTION DE STRASBOURG ................................................ 12
Figure 11: FORCES ET FAIBLESSES DU SERVICE QUALITE PRODUCTION ................................................................. 12
Figure 12: CONTACTEUR 16A/230V 1NO+1NF ........................................................................................................ 13
Figure 13: STRUCTURE INTERNE PRINCIPALE D’UN CONTACTEUR 25A/230V 3NO ................................................ 13
Figure 14: PLAGE D’OUVERTURE/FERMETURE (RECAPITULATIF CEI 60947-4-1) .................................................... 14
Figure 15: CONTACTEURS LEGRAND
Figure 16: TELERUPTEUR LEGRAND .................................................... 15
Figure 17: POSTE D’ASSEMBLAGE CONTACTEURS 16A/25A ................................................................................... 15
Figure 18 : POSTE SIASUN DE TEST ELECTRIQUE ..................................................................................................... 16
Figure 19: POSTE TEST BRUIT DES CONTACTEURS DE PUISSANCE .......................................................................... 16
Figure 20: POSTE MARQUAGE LASER DES CONTACTEURS ...................................................................................... 16
Figure 21: POSTES DE TEST SUR LE PLATEAU DE LA STATION ELECTRIQUE ............................................................ 17
Figure 22: ANALYSE FONCTIONNELLE DE LA LIGNE TELE-CONTACTEUR................................................................. 18
Figure 23: SCHEMA SADT DE LA STATION DE TEST SIASUN .................................................................................... 18
Figure 24: PRINCIPE DE TEST AVANT L’ACTION CORRECTIVE ................................................................................. 19
Figure 25: PRINCIPE DE TEST APRÈS APPLICATION DE L’ACTION CORRECTIVE ....................................................... 19
Figure 26: STRUCTURE MÉCANIQUE GLOBALE DU TABLEAU TOURNANT DE LA STATION DE TEST ....................... 20
Figure 27: CONCEPTION ET STRUCTURE MECANIQUE DU POSTE 4 DE LA STATION DE TEST ................................. 21
Figure 28: SOURCE D’ALIMENTATION ELGAR® CW 2500VA ................................................................................... 22
Figure 29: CALIBRE CONTACTEURS ET VALEURS DE TENSION EQUIVALENTS ......................................................... 23
Figure 30: LIAISON DE L’ALIMENTATION A DECOUPAGE DANS LA CHAINE D’INFORMATION ............................... 23
Figure 31: BASE DE DONNEES DB24 (COMMANDE SCPI) ........................................................................................ 24
Figure 32: SCHEMA DE L’ARCHITECTURE HARDWARE DE LA STATION DE TEST SIASUN ........................................ 25
Figure 33: CHAINE D’INFORMATION POUR LA MESURE ET LA SUPERVISION DU COURANT BOBINE .................... 26
Figure 34: REPRÉSENTATION D’UN MOT MÉMOIRE (SIEMENS S7)......................................................................... 29
Figure 35: IMPRIME ECRAN DE LA CONFIGURATION HARDWARE DE LA CELLULE DANS STEP7 (PARTIE A)
IMPRIME ECRAN DE LA CONFIGURATION NETPRO DE LA CELLULE DANS STEP7 (PARTIE B).................................. 30
5
Figure 36: REPRÉSENTATION DES BLOCS-PROGRAMMES ....................................................................................... 31
Figure 37: REPRÉSENTATION DE L’ORGANISATION DU PROGRAMME PRINCIPALE OB1........................................ 32
Figure 38: ALGORITHME SIMPLIFIE DU PROGRAMME PRINCIPAL OB1 .................................................................. 33
Figure 39: ALGORITHME COMPLEXE DU NOUVEAU CONTRÔLE ÉLECTRIQUE ....................................................... 35
Figure 40: ALGORITHME SIMPLIFIE DU PROGRAMME DE COMMUNICATION AVEC LES SOURCES
D’ALIMENTATION PROGRAMMABLES ..................................................................................................................... 36
Figure 41 : INTERFACE DE SUIVI DE L’ETAT DU NOUVEAU TEST ELECTRIQUE ........................................................ 37
Figure 42: INTERFACE D’ACTIONNEMENT ET DE FORÇAGE DES E/S DU NOUVEAU TEST ....................................... 38
Figure 43: INTERFACE DE DEBOGAGE POUR LA MISE EN ROUTE DE LA STATION DE TEST .................................... 39
Figure 44: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION DU TEST A 85%.UN (194.1V) ........................................... 40
Figure 45: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION lors du passage de 194V à 174V ...................................... 41
Figure 46: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION LORS DU PASSAGE DE 75% A 20% DE LA TENSION
NOMINALE ............................................................................................................................................................... 42
Figure 47: EMPLACEMENT DE LA RESISTANCE EN PARALLELE POUR UN PRODUIT LEURRE. ................................. 44
Figure 48: SPECIFICATION QUALITE DU NOUVEAU TEST ELECTRIQUE DES CONTACTEURS DE PUISSANCE ........... 46
Figure 49 : DIAGRAMME DE GANTT REPRESENTANT LE SUIVI ET LA REVUE DE PROJET ........................................ 47
6
1. Préambule
1.1.
L’industrie et les API
Afin de rester compétitif avec le pays à la croissance économique « très ambitieuse » : la
Chine ; la plupart des industriels en Europe consacrent plus de place aux investissements
en automatisme et son développement dans un but de réduction des coûts et d’augmentation
de la qualité.
Mon Projet de Fin d’études s’effectue dans un milieu faisant intervenir des lignes de production
automatisées. La modification d’un Process dans une ligne de production nécessite un esprit
de prudence, d’efficacité et d’analyse. L’implémentation d’un simple mauvais programme dans
un automate peut causer de très lourds dégâts matériels et/ou humains.
1.2.
Le sujet : intégration d’un contrôle électrique dans la station de test des contacteurs
L’automatisme fait appel en général à des connaissances dans la conception software et dans
la conception mécanique. L’analyse et la démystification des plans mécaniques est une tâche
indispensable même s’il s’agit d’une modification purement logicielle. Il était intéressant de
pouvoir mener à bien ces deux tâches. C’est pourquoi je me suis vu confier lors de mon projet
de fin d’études la modification software d’un process de test dans une station de test
électrique des contacteurs de puissance au sein du groupe Legrand® à Strasbourg.
Figure 1 : PHOTO DE LA STATION DE TEST ELECTRIQUE
7
2. Présentation de l’entreprise d’accueil
2.1.
Groupe legrand®
Spécialiste mondial des infrastructures électriques et numériques du bâtiment, Legrand réalise
plus de la moitié de son activité dans les domaines tertiaires et industriels.
Répondant aux grandes évolutions du monde, le Groupe continue de renforcer ses positions
dans des marchés prometteurs. Les pays des nouvelles économies représentent ainsi 38 % du
chiffre d’affaires total, une part appelée à croître au rythme de leur montée en puissance.
Dans les pays matures, près de 60% du chiffre d’affaires est réalisé sur les marchés de
maintenance et de rénovation. Le marché accessible de Legrand est évalué à environ 80
milliards d’euros pour les infrastructures électriques et numériques.
Legrand dispose d’une offre complète, adaptée aux marchés tertiaire, industriel et résidentiel.
Cette offre en fait une référence à l’échelle mondiale. Contrôle et commande de
l’installation, cheminement de
câbles,
distribution
de
puissance, distribution des
systèmes. Le Groupe propose
des solutions multiples pour la
gestion
de
l’éclairage,
du
chauffage, de l’énergie, des
réseaux et des accès dans le
bâtiment. Son offre « produits »
est particulièrement large : le
catalogue compte près de 200
000 références, réparties en
environ 78 familles de produits.
Figure 2 : LES OFFRES « PRODUITS » LEGRAND®
 Une double ambition au service d'une croissance durable :
Son positionnement sur un métier unique permet à Legrand de poursuivre une double
ambition : renforcer ses leaderships sur les infrastructures électriques et numériques du
bâtiment et devenir l’acteur de référence de l’intelligence électrique avec des solutions
innovantes et à forte efficacité énergétique pouvant fonctionner en systèmes.
2.2.
Historique du Groupe
En 1865, un atelier de porcelaine de table est installé à Limoges, par Henri BARJAUD de
Lafond et Léonard CLIDASSON, marchands de bois. Il est situé route de Lyon, devenue
aujourd'hui, l'avenue du maréchal de Lattre de Tassigny où se trouve toujours le siège social
du Groupe.
8
En 1949, après qu'un incendie eut détruit le secteur "porcelaine de table", la décision est prise
de recentrer la société sur l'appareillage électrique d'installation.
La porcelaine reste la matière principalement utilisée dans le montage de l'appareillage
électrique. Peu à peu, l'usage du plastique se développe avec les
thermodurcissables puis dès 1959, les thermoplastiques issus du
pétrole.
En 1966, Legrand acquiert sa première filiale hors de France en
Belgique. Cette date montre le début d'une politique d'acquisitions
autofinancées et ciblées.
Figure 3 : INTERRUPTEUR
DE TYPE TUMBLER EN
PORCELAINE
De 1970 à 1989 : La croissance externe se développe à l'international









Martin & Lunel (1974 – France)
Inovac (1974 – France)
Pial (1977 – Brésil)
Sarlam (1977 – France)
Arnould (1980 – France)
Planet-Wattohm (1982 – France)
Pass & Seymour (1984 – Etats-Unis)
Bticino (1989 – Italie/Amérique Latine)
Baco (1992 – France-legrand® Strasbourg)
De 2000 à 2013 : Accélération de la politique d'acquisitions. Le modèle de développement de
Legrand s'appuie sur l'innovation et le lancement continu de nouveaux produits à forte valeur
ajoutée et sur des acquisitions ciblées et autofinancées de sociétés de petite et moyenne taille
leaders sur leur marché et très complémentaires des activités du Groupe.
Depuis plus de 60 ans, Legrand offre des solutions intégrées pour la gestion de l'éclairage, du
chauffage, de l'énergie, des réseaux et des accès dans le bâtiment. La vocation du Groupe est
de concevoir, développer et commercialiser des systèmes électriques et numériques à la fois
simples et innovants. Des systèmes qui permettent de mieux communiquer, de renforcer la
sécurité et d'améliorer le confort dans les bâtiments.
2.3.
Legrand® Strasbourg
Le site de Strasbourg a été créé en 1919 par Joseph Baumgarten. Il est intégré au Groupe
Legrand depuis 1992. En 2002, il a été décidé de dissocier le « site industriel » de la
marque « Baco » dont le directeur répond directement à la Direction Générale du Groupe.
9
Le développement des moyens d'essais du Laboratoire fut constant et en adéquation
permanente avec les besoins de l'entreprise en termes de recherche et développement, qualité
et normalisation.
Les grandes étapes technologiques furent :






Année 1950 : Création du Laboratoire ;
Année 1964 : Mise en route de la première station de coupure ;
Année 1970 : Mise en place d’essais climatiques, indices de protection ;
Année 1980 : Mise en place de la Compatibilité Electromagnétique ;
Année 1990 : Informatisation partielle d’essais ;
Année 2001 : Implantation nouveau transfo HT/BT plus puissant pour la station de
coupure.
Trois grandes familles de produits sont fabriquées à Strasbourg :

-
PROTECTION (des personnes et des biens) :
Disjoncteurs
Disjoncteurs différentiels
Interrupteurs et prises différentiels
 BRANCHEMENT ET TARIFICATION :
Interrupteur
différentiel
Protection des
personnes et
des lignes
Figure 4: INTERRUPTEUR DIFFERENTIEL
Disjoncteurs de branchement

-
Disjoncteur de
branchement
Tarification et
sécurité des biens et
des personnes
COMMANDE, SIGNALISATION, COMMUTATION :
Auxiliaires de commande et de signalisation
Télérupteurs
Figure 5: DISJONCTEUR DE BRANCHEMENT
Contacteurs
Commutateurs à cames
Interrupteurs
Interrupteurs sectionneurs
Sectionneurs
Coupure et
isolation de
circuits.
Figure 6 : INTERRUPTEUR SECTIONNEUR
Ensembles de
boutons :
Accessoires de
pilotage et de
contrôle d’un
équipement
Commutateurs
Commande,
contrôle et
coupure d’un
circuit
Figure 7: COMMUTATEURS
Figure 8: ENSEMBLES BOUTONS
10
Le site de Strasbourg composé de 350 salariés a la particularité de fournir à toute la division
EDIA dont il fait partie « le relais différentiel ». Etant l’unique producteur de ce sous-ensemble
ce dernier est l’atout majeur du site de Strasbourg.
Figure 9: RELAIS DIFFERENTIEL
3. Le service Qualité Production
3.1. Présentation du service
Le service Qualité Production du site de Strasbourg existe depuis la création du site sous la
marque Baco et participe véritablement au succès de l’entreprise. Il travaille en collaboration
avec les services Process Engineering, Produits Existants (R&D) et est un partenaire privilégié
des équipes de production et de maintenance.
Le service Qualité Production réalise, avec 7 collaborateurs sur le site de Strasbourg, un
nombre important de tâches de contrôle, d’actions préventives ou d’actions correctives. Il
participe également à des modifications Process ou qualification produit respectivement avec
le service Process Engineering et le service Produits Existants.

-
Missions principales du service :
Vérification périodique des instruments de mesure et les moyens de test/contrôle ;
Traitement des insatisfactions et retours stock ;
Traitement des non-conformités et notifications fournisseurs ;
Audits internes ;
Monitoring périodique ;
Suivi et saisie des indicateurs ;
Gestion de la documentation (mode opératoire, spécification qualité).
11
3.2.
Organisation du service
Georges
MUTHS
Thierry
KOEHLER
Christophe
WINTZERITH
Claudia
KELLER
Salah
LOUAFI
Qualité Production
Julien SIAT
Philippe
AECKERLE
Marcel
WENZEL
Adnane
BOUKHEFFA
Apprenti
Stagiaire
Figure 10: ORGANISATION DU SERVICE QUALITE PRODUCTION DE STRASBOURG
3.3.
Analyse du service Qualité Production
Le tableau ci-dessous présente une analyse forces/faiblesse pour caractériser le service.
Forces
- Réactivité ;
- Compétences et expertises ;
- Expérience ;
- Soutien des équipes et des services ;
- Support technique pour la maintenance ;
- Force de proposition interne pour
l’amélioration des spécifications qualité ;
- Disponibilité.
Faiblesses
- Manque de nouveaux
collaborateurs ;
- Difficulté à transmettre les
compétences du service à cause de
la politique d’embauche en
interne ;
- Emplois du temps très chargés.
Figure 11: FORCES ET FAIBLESSES DU SERVICE QUALITE PRODUCTION
12
4. Le contexte
4.1
Les contacteurs de puissances legrand®
Legrand fabrique une très grande plage des contacteurs de
puissance de commutation en fonction de la nature et de la valeur
de la tension du réseau électrique, des caractéristiques de la charge
(courant nominal), des exigences du service désiré et de la
puissance installée.
Les sites de production Turquie et Strasbourg sont les seuls qui
assurent la production et le contrôle des calibres 16A/25A.
Figure 12: CONTACTEUR
16A/230V 1NO+1NF
4.2
Principe de fonctionnement d’un contacteur de puissance
Pour un contacteur NO (normalement ouvert), lorsque la bobine située dans le circuit de
commande est parcourue par un courant électrique celle-ci est excitée : le circuit magnétique
attire les contacts (mobiles sur les fixes). La charge est alimentée. Lorsque la bobine n’est plus
alimentée, les contacts s’ouvrent sous l’action du ressort de rappel : la charge n’est ainsi plus
alimentée. Vise versa pour un contacteur NF.
Figure 13: STRUCTURE INTERNE PRINCIPALE D’UN CONTACTEUR 25A/230V 3NO
13
4.3
Choix d’un contacteur de puissance
Le choix d’un contacteur de puissance dépend, en général, de :
 La Puissance de la charge (moteur, four, …) exprimé en kW ;
 La Tension d’alimentation de la charge (12V, 24V, 48V, 230V) ;
 La Tension du circuit de commande pour l’alimentation de la bobine.
Ces critères de choix « client » déterminent un cahier des charges « test/contrôle » afin
de valider le fonctionnement correct d’un contacteur.
4.4
Principe de test : norme CEI 60947-4-1
La norme exige que : qu’ils soient utilisés séparément ou avec des démarreurs, les contacteurs
de puissance doivent se fermer de manière satisfaisante pour toute valeur de la tension
d'alimentation de commande Us entre 85 % et 110 % de la valeur assignée de celle-ci.
Lorsqu'une gamme de tensions est indiquée, la valeur de 85 % s'applique à la valeur
inférieure de cette gamme et la valeur de 110 % s'applique à la valeur supérieure.
Les limites entre lesquelles les contacteurs doivent relâcher leurs contacts et s'ouvrir
complètement sont de 75 % à 20 % de la tension assignée d'alimentation de commande Us
pour le courant alternatif et de 75 % à 10 % de celle-ci pour le courant continu. Lorsqu'une
gamme de tensions est indiquée, les valeurs de 20 % ou de 10 %, selon le cas, s'appliquent à
la valeur supérieure de cette gamme et la valeur de 75 % à la valeur inférieure.
Figure 14: PLAGE D’OUVERTURE/FERMETURE (RECAPITULATIF CEI 60947-4-1)
14
5. La ligne des contacteurs de puissance
5.1
La ligne TELE-CONTACTEUR
Les contacteurs de puissance, les Télérupteurs (Latching Relay) et les compensateurs sont en
production sur le site de Strasbourg depuis 2008 et jusqu’aujourd’hui. La ligne de production
est composée de postes manuels d’assemblage (2 postes), une station de test électrique
SIASUN®, un poste de test de bruit et d’une station de marquage laser.
Figure 15: CONTACTEURS LEGRAND
Figure 16: TELERUPTEUR LEGRAND
Figure 17: POSTE D’ASSEMBLAGE CONTACTEURS 16A/25A
15
Figure 18 : POSTE SIASUN DE TEST ELECTRIQUE
Figure 19: POSTE TEST BRUIT DES CONTACTEURS DE PUISSANCE
Figure 20: POSTE MARQUAGE LASER DES CONTACTEURS
16
5.2
La station de test électrique SIASUN®
La station de test SIASUN® est une machine de conception chinoise, conçue et réalisée par
l’entreprise SIASUN Robot & Automation Co., Ltd.
C’est une machine semi-automatique qui a besoin d’un opérateur en position debout pour son
fonctionnement. L’opérateur fait entrer les paramètres de température (pour le sertissage) et
la référence des produits à tester grâce à une interface homme-machine (pupitre utilisateur).
La machine indique qu’elle est prête à être utiliser (ou non) grâce à des signalisations visuelles
(voyants rouges, oranges, verts et blancs). Pour passer d’un test à un autre, l’opérateur
appuie sur deux boutons manuels de démarrage (Départ Cycle).
5.3
Analyse fonctionnelle
Comme expliqué précédemment, la ligne consiste principalement à assembler un certain
nombre de composants pour « créer » le produit et au sertissage automatique de ce dernier
puis à tester électriquement le produit, à évaluer le bruit généré et finalement à marquer le
produit.
La station de test contient dix postes de test. Chaque poste contrôle une fonction du
contacteur (figure 21).
poste1
poste2
postes
3,6
postes
4,7
postes
5,8
Chargement
Contrôle
verrine
Mesure
courant
bobine
Contrôle
électrique
Contrôle
diélectrique
Figure 21: POSTES DE TEST SUR LE PLATEAU DE LA STATION ELECTRIQUE
Les produits témoins ou les leurres font partie d’une exigence qualité. Ce sont des produits
non conformes avec défaut connu, qui doivent absolument être reconnus comme mauvais par
la station de test et éjectées selon le cycle normal. On reviendra sur ce point dans le chapitre
suivant.
17
Assemblage:
deux postes
d'assemblage manuels
des sous-ensembles
Sertissage:
automatique graçe à un
poste d'extension sur la
station SIASUN
Marquage Laser:
marquage des
caractéristiques des
produits, schéma ...
Contrôle électrique:
au niveau de la station
SIASUN, dix poste de
test automatique
Contrôle bruit:
contrôle du niveau de
dB des produits
Figure 22: ANALYSE FONCTIONNELLE DE LA LIGNE TELE-CONTACTEUR
5.4
Schéma SADT (Structured Analysis and Design Technic) du contrôle électrique
Contrôle
diélectrique
Source de
tension
ELGAR® 2
Source de
tension
ELGAR® 1
contrôle O/I
électrique
Diélectrique
HIOKI®
Poste 6-9
Contrôle
courant bobine
Marquage
Multimètre
HIOKI®
Chargement
Operateur
Figure 23: SCHEMA SADT DE LA STATION DE TEST SIASUN
18
6. Problématique
6.1
La visite d’inspection du site de Strasbourg
Une visite d’inspection VDE (Verband der Elektrotechnik) du site de Strasbourg (le
05/04/2013) a remarqué que le test d’ouverture et fermeture des contacteurs de puissance ne
s’effectue pas suivant la norme. En effet, le poste de test électrique de la station SIASUN
vérifie l’état des contacts à 85% de la tension nominale et à 0% de la tension nominale (figure
24). Or, et comme indiqué dans 4.4, la norme exige de tester l’état des contacts à 85%, à
75%, à 20% puis à 0% respectivement de la tension nominale (figure 25).
85%
• test ouverture (pour les NF)
• teste fermeture (pour les NO)
0%
• test ouverture (pour les NO)
• teste fermeture (pour les NF)
Figure 24: PRINCIPE DE TEST AVANT L’ACTION CORRECTIVE
85%
75%
20%
0%
Figure 25: PRINCIPE DE TEST APRÈS APPLICATION DE L’ACTION CORRECTIVE
19
6.2
Cahier des charges
Afin d’intégrer le nouveau process dans la station de test, les contraintes ci-dessous me sont
imposées :
-
La solution choisie doit être une solution uniquement software, aucun câblage
électrique ne doit être rajouté ;
La tension de sortie des sources d’alimentation ne doit pas passer par la valeur 0V
même s’il s’agit d’un changement de calibre (high/low voltage) ;
Le mode d’emploi de la machine ne doit pas être impacté ;
Le temps des vérifications de l’état des contacts ne doit pas dépasser 300ms pour que
le poste 5 (test diélectrique) reste toujours le poste menant en termes de temps ;
Les moyens doivent être adaptés aux besoins : les quatre tests doivent utiliser une
seule source d’alimentation.
7. Conception mécanique
7.1
Conception globale
La station de test SIASUN comporte un plateau tournant de dix postes. Chaque poste contient
une structure mécanique différente permettant d’effectuer le test désiré des contacteurs.
Figure 26: STRUCTURE MÉCANIQUE GLOBALE DU TABLEAU TOURNANT DE LA STATION DE TEST
20
7.2
Conception du poste 4 du test électrique
La structure du poste 4 permet de tester l’ouverture et/ou la fermeture des contacts des
produits concernés. L’action corrective dépend principalement de ce poste. Ci-dessous la
structure mécanique du poste 4.
Élément
1, 2, 3, 4, 8 et 13
5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 14,
15, 16 et 17
Type
Cylindre (vérin)
Électrode
Fournisseur
FESTO
SIASUN
Figure 27: CONCEPTION ET STRUCTURE MECANIQUE DU POSTE 4 DE LA STATION DE TEST
Ce poste est conçu spécifiquement pour vérifier que le produit respecte un certain nombre de
spécifications :





Vérification
Vérification
Vérification
nominale ;
Vérification
nominale ;
Vérification
nominale.
OFF0 : vérifie l’isolement entre l’entrée et la sortie du contacteur ;
ON1 : vérifie l’actionnement des contacts à 85% de la tension nominale ;
ON2 : vérifie que les contacts restent actionnés à 75% de la tension
OFF1 : vérifie le « non-actionnement » des contacts à 20% de la tension
OFF2 : vérifie que les contacts restent non actionnés à 0% de la tension
21
8. La source d’alimentation à découpage Elgar®
8.1
Présentation
La station de test SIASUN est reliée à deux sources d’alimentation CW Elgar ® AC Power Source
(Alternative Continuous Waves) via deux liaison RS232. La source Elgar® est une alimentation
monophasée programmable qui reçoit des commandes SCPI (Standard Commands for
Programmable Instruments). Grâce à ces commandes dites SCPI, l’utilisateur peut fixer des
valeurs précises de tension, de courant, de fréquence de phase et de paramètres de limitation
en puissance. Cette alimentation à découpage permet d’avoir un facteur de puissance corrigé
(PFC) avec une puissance maximale à délivrer à partir d’une simple prise secteur.
Avantage :



Grande plage de facteur de puissance corrigé ;
Bruit AC très faible ;
Facilité de mesure et de simulation en temps réel ;
Application :
L’alimentation à découpage Elgar® est conçue pour tester des structures électroniques simples
ou polyphasées. Dans notre cas, elle représente le réseau électrique pour lequel les
contacteurs de puissance sont destinés.
Figure 28: SOURCE D’ALIMENTATION ELGAR® CW 2500VA
8.2
Communication avec la CPU
Le rôle de cette alimentation AC est de fournir à la station SIASUN les valeurs de tension
correspondant aux calibres bobines des contacteurs. Ces valeurs vont de 2,4V jusqu’au 230V.
22
Calibre bobine
Valeurs de tension (V)
0%
20%
75%
85%
90%
100%
12V
0
2,4
9
10,2
10,8
12
24V
0
4,8
18
20,4
21,6
24
48V
0
9,6
36
40,8
43,2
48
230V
0
46
172,5
195,5
207
230
Figure 29: CALIBRE CONTACTEURS ET VALEURS DE TENSION EQUIVALENTS
Mémoire
SIMATIC
SCPI
CPU 314
S7 - 300
RS232
Elgar AC
Power
Tension
d’alimentation
Figure 30: LIAISON DE L’ALIMENTATION A DECOUPAGE DANS LA CHAINE D’INFORMATION
La CPU récupère les commandes SCPI à partir de la mémoire automate selon le besoin, à
savoir les différentes valeurs de la tension d’alimentation bobine, les différents calibres des
contacteurs et l’état de l’algorithme dans la CPU.
Grâce à la liaison série RS232 entre la CPU et la source d’alimentation programmable, on
arrive à envoyer un programme SCPI complet à cette dernière dans moins de 50ms. Le code
SCPI contient l’instruction calibre (High/Low), les valeurs des courants nominaux, les valeurs
des tensions d’alimentation, la fréquence de travail, les valeurs limites et les instructions de
calibrage et de correction.
8.3
Le programme SCPI
Avant de penser au programme SCPI, il me fallait une base de données pour enregistrer
toutes les instructions indispensables pour le fonctionnement de la source programmable. J’ai
créé alors la base de données DB24 qui contient ces instructions et qui sera appelée dans le
programme de communication. Ci-contre une partie de la base de données DB24 (Figure31).
23
Figure 31: BASE DE DONNEES DB24 (COMMANDE SCPI)
9. Architecture Hardware
9.1
Architecture générale
La solution choisie afin d’intégrer le nouveau contrôle électrique s’appuie sur un certain
nombre de systèmes qui sont présentés ci-après :
24
Figure 32: SCHEMA DE L’ARCHITECTURE HARDWARE DE LA STATION DE TEST SIASUN
On remarque la présence de deux réseaux distincts. Un bus de terrain classique, ici
PROFIBUS. Ce bus permet dans notre cas la gestion des entrées sorties décentralisées. Et un
réseau Ethernet qui est utilisé dans notre cas pour accéder à des données de la FM353 qui est
un module de commande des moteurs pas à pas (afin de changer la position de la manette
des contacteurs), les paramétrer et récupérer des informations depuis l’IHM de la station.
Cette mixité représente bien la transition engagée entre les bus de terrain et le protocole
Ethernet dans toutes les structures automatisées industrielles. Des solutions comme
PROFINET, se rapprochant de plus en plus de la communication « temps réel », permettraient
donc d’uniformiser le protocole de communication et offriraient des possibilités beaucoup plus
larges. Cependant Ethernet étant un protocole ouvert, il est vulnérable aux attaques
extérieures, ce qui justifie les réticences des industries à l’utiliser. Cela permet une première
protection contre les attaques extérieures, mais surtout contre les erreurs.
25
9.2
Multimètre programmable de mesure
Le multimètre HIOKI est un appareil industriel de mesure, il permet, grâce à une liaison série
via l’automate S7, de récupérer les valeurs des grandeurs électriques mesurées en temps réel.
Dans notre cas, le multimètre sert à mesurer et visualiser la valeur du courant bobine des
contacteurs lorsqu’ils arrivent aux postes 3 et/ou 6 (postes de mesure courant bobine). Le
multimètre HIOKI est un appareil programmable qui reçoit des commandes SCPI via la liaison
RS232 (figure33).
Figure 33: CHAINE D’INFORMATION POUR LA MESURE ET LA SUPERVISION DU COURANT BOBINE
9.3
Source de tension HT programmable
La source d’alimentation HV HIOKI (source de haute tension) permet de tester la
fonctionnalité diélectrique entre les pôles du contacteur. Cette source assure une haute
tension de sortie qui varie entre 1500V et 2500V. Comme Indiqué pour le multimètre HIOKI, la
source HT reçoit les commandes SCPI via une liaison RS232. La chaîne d’information est
semblable à celle du multimètre HIOKI (figure 33)
9.4
La FM-353 (Commande des moteurs pas à pas)
Le FM 353 est un module performant de positionnement piloté par microprocesseur pour la
commande d’un moteur pas à pas. Le module fonctionne de manière autonome ; il est piloté
par le biais du programme utilisateur dans le système SIMATIC S7-300.
L’utilisation du moteur pas à pas assure le test de la manette des produits. En effet, les
contacteurs (avec manette) ont trois positions :
26



Position ON : le contacteur reste actionné quel que soit la consigne ;
Position OFF : le contacteur est non-actionné ;
Position AUTO : c’est le fonctionnement normal d’un contacteur de puissance.
Au niveau du poste 4 (test électrique), la FM353 commande le moteur pas à pas afin de
changer la position de manette entre ON, OFF et AUTO pour qu’on puisse tester tous les états
possibles d’un contacteur de puissance.
9.5
L’automate SIMATIC S7-300
La station de test SIASUN utilise un contrôleur modulaire SIMATIC S300. C’est une solution
optimale pour les tâches de commande complexe. Ces automates modulaires se prêtent à tout
moment à une extension flexible avec des modules d’E/S, de fonction et de communication.
Concernant les entrées sorties de l’automate, sont connectées à l’automate :



4 cartes de 32 entrées
4 cartes de 32 sorties
Un module FM353
10.
La sécurité des machines
Les entreprises industrielles ont investi beaucoup d’efforts dans la sécurité des machines
automatisées. Ces efforts ont permis de réduire de façon significative le nombre d’accidents
depuis quelques années. Cet aspect est une préoccupation majeure de toutes les entreprises
et particulièrement des grands groupes qui cherchent de plus en plus à obtenir un certain
nombre de certifications, surtout quand il s’agit de garantir la sécurité des employés.
C’est là qu’intervient un élément essentiel pour la réussite du projet : c’est le fait de
développer la station de test SIASUN tout en garantissant une utilisation simple sans risque
d’accident. Et comme toute installation automatisée, un Automate Programmable
Industriel dédié Sécurité (APIdS) a été mis en œuvre par le fabricant.
10.1
Le software comme complément au principe de la sécurité câblée (APIdS)
La programmation de l’automate remplit un certain nombre de protections supposées
additionnelles mais jugées nécessaires. Pour l’intégration du nouveau contrôle, il suffit que
l’opérateur appuie sur deux boutons de confirmation pour que le test se lance d’une manière
automatique.
J’ai défini la nécessité de maintenir ces touches de confirmation, lorsque le plateau tournant
est en position stable, dans le programme principal OB1. Le non maintien de ces deux touches
27
implique la coupure de l’alimentation des actionneurs dit dangereux (moteur synchrone pour
plateau tournant).
Les deux sorties relais de confirmation sont activées si les touches de confirmation sont
activées au plus 500ms après la demande de mouvement, ce qui signifie que l’opérateur a les
deux mains sur le panel. Il faut aussi qu’il n’y ait pas de défauts de surveillance des relais de
confirmation.
11.
Programmation automate
11.1
L’environnement Step7 de SIEMENS
SIEMENS fabrique 6 types d’automates destinés aux applications industrielles :






Logo : Solution très simple et combinatoire
Simatic S7-1200 : Solution séquentielle simple, mais précise
Simatic S7-200 : Solution séquentielle simple, performante en terme de temps réel et
de communication
Simatic S7-300 : Solution séquentielle complexe. Il permet de réaliser la majorité des
applications d’automatisme intégrant des architectures décentralisées.
Simatic S7-400 : Solution séquentielle complexe, hautes performance en terme de
communication et de mémoire.
Simatic S7-1400 : (en phase de test) solution séquentielle très complexe qui couvre
toutes les tâches d'ingénierie de fabrication et de processus, des petites aux grandes
performances.
La station de test SIASUN utilise le S7-300. C’est le PLC universel pour les solutions qui se
concentrent surtout sur l'ingénierie de production.
11.1.1 La programmation et l’organisation des blocs
La programmation avec Step7 s’articule autour de différents blocs, programmables dans 3
langages :



Le List : C’est le langage de base de step7. Il est basé sur une centaine d’instructions.
Le Contact : C’est une représentation du List, qui s’apparente à de la logique câblée.
Le Logigramme : C’est une autre représentation du List sous forme de bloc. C’est le
langage le plus utilisé ici puisqu’il peut toujours être converti en Contact ou en List.
Cependant c’est donc aussi celui qui offre le moins de possibilité.
La programmation n’a donc rien à voir avec la programmation de type Grafcet que l’on pouvait
trouver avec PL7 Pro par exemple. Dans Step7 on trouve un certain nombre de blocs avec
différentes fonctions :
28





Les OB : Ce sont des blocs d’organisation avec des fonctions bien particulières :
o L’OB 100 est appelé au démarrage à chaud ou à froid
o L’OB 1 est la base du programme. L’automate lit cet OB en permanence
o Il existe aussi un grand nombre d’OB de défaut ou d’interruption
Les DB : Ce sont des blocs de données où sont stockées des variables accessibles dans
l’ensemble du programme
Les FC : Ce sont des blocs fonctionnels avec des entrées/sorties
Les FB : Ce sont des blocs fonctionnels que l’on doit appeler avec un DB d’instance.
Les SFB et SFC : Ce sont des blocs Siemens qui sont disponibles pour effectuer un
certain nombre d’opérations classiques. Il est par exemple possible de copier une zone
mémoire dans une autre zone.
11.1.2 L’adressage dans les automates SIEMENS : une particularité
L’adressage de la zone mémoire chez Siemens est différent qu’ailleurs. En effet, la base de la
mémoire est un mot qui est composé de deux octets. La particularité c’est l’inversement de
ces octets dans le mot.
Figure 34: REPRÉSENTATION D’UN MOT MÉMOIRE (SIEMENS S7)
11.1.3 Configuration hardware
29
Figure 35: IMPRIME ECRAN DE LA CONFIGURATION HARDWARE DE LA CELLULE DANS STEP7 (PARTIE A)
IMPRIME ECRAN DE LA CONFIGURATION NETPRO DE LA CELLULE DANS STEP7 (PARTIE B)
Comme expliqué précédemment, l’architecture du système contient 4x32 entrées, 4x32
sorties, un module FM353 pour la commande du moteur pas à pas, un module d’interfaçage
sous WinCC flexible et un module MPI de liaison avec la PG/PC.
11.1.4 L’interfaçage homme-machine
Le logiciel Step7 a été développé en collaboration avec WinCC Flexible qui permet de
développer l’IHM que l’on appelle Runtime sous sa forme exécutable. Etant en liaison, il est
possible dans WinCC flexible de spécifier directement le chemin d’accès des variables en
liaison avec Step7. Le panel SIEMENS sous WinCC permet de visualiser l’état du processus
pour les deux modes de fonctionnement (manuel et automatique), de visualiser les valeurs
des grandeurs mesurées, de paramétrer les modules hardware (la FM 353 pour paramétrer le
moteur pas à pas en particulier) et d’exécuter le programme manuellement en cas de
problème ou pour la validation d’un soft.
30
11.1.5 Le simulateur
Comme précisé dans le début de ce rapport, le travail effectué contient 4 grandes parties :
l’analyse, le développement, la validation et la mise en route.
La validation : Elle commence quand après avoir terminer le développement, c’est la dernière
phase avant la mise en route et donc le début de la production. Elle doit donc être la plus
rapide possible, puisqu’elle intervient à 100% dans le délai de livraison du projet (action
corrective).
La création d’un simulateur virtuel (avec forçage des E/S) a été donc très utile afin de tester la
fiabilité du contrôle intégré.
12.
Développement software
C’est le cœur de l’action corrective. L’objet de ce rapport n’est pas de décrire de manière
détaillée comment fonctionne chaque ligne de code, mais d’expliquer d’une manière simplifiée
la structure et la méthode d’intégration du nouveau contrôle dans la Station de test. On décrit
ci-après les 3 grandes parties du sujet : l’analyse, le développement et la validation
pour la mise en route.
12.1
Analyse et développement
12.1.1 Les blocs-programmes
C’est une phase qui a duré plus de 3 semaines. L’objectif était de déterminer tous les blocs
(OB, FC, DB, FB) ayant une ou plusieurs liaisons avec le test électrique des contacteurs sur le
poste 4. Ces « liaisons » peuvent être des commandes de sécurité, des résultats attendus, des
consignes mémoire ou CPU liées au fonctionnement interne de l’automate, des consignes
externes (commande opérateur ou alarmes…) ou des échanges avec l’interface WinCC.
Figure 36: REPRÉSENTATION
DES BLOCS-PROGRAMMES
31
12.1.2 Architecture du programme principal
C’est le cœur du programme. Il exécute des fonctions (correspondent à des sousprogrammes) d’initialisation, de sécurité, de signalisation, de synchronisation et d’exécution
des différentes fonctionnalités de la machine : figure37, seuls les blocs concernés sont
représentés.
Fonctions internes :
alimentation, signalisation,
démarrage à chaud, tempo…
FC20 : initialisation
FC31 : chargement
FC32 : vérification
verrine
FC33 : mesure
courant bobine
FC34 : contrôle
électrique
OB1
(exécution
cyclique)
FC35 : contrôle
diélectrique
DB74 : gestion de cycle
(cycle_time_1)
DB34 : données mémoire
test manette
Moteur pas à pas
FC36 : mesure
courant bobine
FC37 : contrôle
électrique
FC38 : contrôle
diélectrique
de la FC37
FC40 : marquage
FC45 : test I/O
FC55 :
communication
test manette
test O/I
Figure 37: REPRÉSENTATION DE L’ORGANISATION DU PROGRAMME PRINCIPALE OB1
32
12.1.3 Algorithme simplifié du programme principal
Initialisation interne et des E/S
Signalisation
Vérif. Alimentation
Synchronisation tempo
Initialisation
Machine prête ?
Pupitre
opérateur
Confirmer Réf. Produit
- Envoi tension Elgar
- Commande moteur
Poste1 : Chargement
Non
Opérateur
Poste2 : vérif.
verrine ?
Oui
Non
Poste3 : bobine
conforme ?
Oui
Non
Appel FC34, FC55, FC45
OFF0
ON1
ON2
OFF1
OFF2
Poste4 : contrôle
élec. Ok ?
Oui
Non
: Test à 0V
: Test à 85%.Un
: Test à 75%.Un
: Test à 20%.Un
: Test à 0%.Un
Poste5 : vérif.
Diélectrique ok ?
Oui
Postes : 6, 7, 8
Poste9 : marquage produit
conforme/non conforme
Figure 38: ALGORITHME
SIMPLIFIE DU PROGRAMME
PRINCIPAL OB1
33
12.1.4 Algorithme complexe du nouveau test électrique : FC34 (Post 4)
Initialisation
position bras robot
Pupitre
opérateur
Initialisation des rétractions et
des impactions pneumatiques
des cylindres du robot.
Reset compteur conforme
Reset compteur non conforme
Reset IHM ?
Initialisation du
cycle_time_1
Capteur produit
Poste4 ON ?
Non
Oui
Capteur
plateau arrêt
ON ?
Non
Oui
Contact Bras Robot ON
Envoi tension 85%.Un
Génération code
erreur
Bad Elec. Cntrl.
Appel FC55
Vers programme
de communication
Test contacteur
ON1 OK ?
Non
Oui
Programme Arrêt
Post 4
Non
ON2 OK ?
Oui
Fin
test :
Vers
programme
d’initialisation FC20
Non
OFF1 OK ?
Oui
Envoi tension 0%.Un
Non
OFF1 OK ?
Oui
34
Appel FC31
Vers poste 5 (test
diélectrique)
Non
Programme initialisation model
produit (activation des fonctions
nécessaire pour le test)
Contacteur à
mannette
Appel FC150
Envoie commande
moteur FM353
Non
Génération code
erreur
Bad Handle.
Position.
Programme de commande du
moteur pas à pas pour
changement de position manette
Manette mode
AUTO OK ?
Oui
Non
Manette mode
ON OK ?
Programme Arrêt
Post 4
Oui
Vers début
programme FC34
Fin
test :
Vers
programme
d’initialisation FC20
Figure 39: ALGORITHME COMPLEXE DU NOUVEAU CONTRÔLE ÉLECTRIQUE
Comme indiqué auparavant, le but ce n’est pas de décrire d’une manière détaillée le
fonctionnement du soft, mais d’expliquer l’algorithme d’une manière claire. Les phases de
programmation et d’intégration ont pris plus de 6 semaines de travail. En effet, la
communication du programme de test électrique avec les programmes de test diélectrique, de
mesure courant bobine et de commande du moteur pas à pas a rendu l’intégration de cet
algorithme beaucoup plus compliquée. Il fallait traiter les résultats indépendamment de ces
programmes afin de minimiser les modifications sur ces derniers.
35
12.1.5 Principe de fonctionnement du programme de communication : FC55
Reset mémoire
Communication FC55
Non
Demande
lecture CPU
…
Répondre à l’appel
de la FC34 aux
moments d’envoi
des 4 valeurs de
tension.
Non
Demande
écriture CPU
Ecriture tension
Ecriture courant
Récupération caractères SCPI
depuis la DB24 et DB25
Récupération caractères SCPI
depuis la DB21
Récupération valeurs
selon l’état du test
FC34
…
Liaison RS232
Vers sources
d’alimentation
programmables
Figure 40: ALGORITHME SIMPLIFIE DU PROGRAMME DE COMMUNICATION AVEC LES SOURCES
D’ALIMENTATION PROGRAMMABLES
Une autre difficulté concernant l’intégration du nouvel algorithme, c’est le fait que la source
d’alimentation était implémentée (par le fabricant) de manière que la tension à ses sorties
resteront fixes durant toute la période du test d’une référence de produit. Or, le cahier des
charges de l’action corrective nous a obligé de changer cette structure et de rendre la tension,
en sortie de la source, variable selon le test désiré (85%, 75%, 20% ou 0% de Un).
En effet, au lieu de récupérer les caractères SCPI et les valeurs des tensions une seule fois
(avant de commencer le test), on les récupère au fur et à mesure selon l’état du test. Afin de
concrétiser cela, les temporisations (qui correspondent aux vérifications des contacts) ont
passé de 200ms à 400ms pour que la source d’alimentation ait le temps de recevoir la chaîne
de caractères SCPI ainsi les valeurs des tensions convenables.
36
12.1.6 Adaptation d’une IHM de test manuel sous WinCC Flexible
Comme précisé précédemment, le programme contient deux modes de fonctionnement :

Mode automatique : c’est l’équivalent du mode normal de fonctionnement. C’est le
mode utilisé par les opérateurs afin de tester les produits. Il suffit de charger le produit
et d’appuyer sur les deux touches de confirmation pour passer d’un test au test suivant.
Dans ce cas, l’utilisateur n’a pas la possibilité d’actionner la machine depuis le pupitre
(IHM) mais seulement de confirmer le choix de la référence à tester.

Mode manuel : c’est le mode utilisé par le service de maintenance en cas de
disfonctionnement. En effet, ce mode permet, via le pupitre, d’exécuter manuellement
les différents actionneurs de station (actions et rétractions des vérins).
Afin d’assurer le fonctionnement manuel du poste 4 (lors de l’exécution du nouveau test), je
me suis chargé d’adapter l’interface utilisateur qui assure cette fonction. La figure 41
représente l’environnement de développement de l’IHM sous WinCC Flexible. Il s’agit d’un
environnement de programmation graphique développé en collaboration avec SIEMENS et
destiné aux applications S7.
Référence
produit
Suivi de l’état du nouveau test I/O
Boutons de
navigation IHM
Valeurs de la
tension de test
Figure 41 : INTERFACE DE SUIVI DE L’ETAT DU NOUVEAU TEST ELECTRIQUE
37
La figure 41 représente aussi l’interface principale du contrôle commande de la station.
L’interface permet de suivre le test électrique d’ouverture et fermeture à 3 niveaux de tension,
de connaitre si la référence sélectionnée est concernée par le nouveau test ou pas et de
visualiser les valeurs des tensions de sortie des deux sources d’alimentation programmables
Elgar.
Suivi des
extensions des
cylindres du
bras robot
Suivi des rétractions des
cylindres du bras robot
Nouveau test
électrique
validé
Forçage sortie
source
d’alimentation
Figure 42: INTERFACE D’ACTIONNEMENT ET DE FORÇAGE DES E/S DU NOUVEAU TEST
La figure 42 représente l’interface de forçage des E/S correspondant au nouveau test
électrique. Elle permet d’actionner les mouvements du bras robot (rétractions et extension),
de forcer la sortie de la source d’alimentation Elgar 2 (qui représente le réseau d’alimentation
pour les contacteurs à tester), d’assurer l’initialisation du nouveau test en cas de problème et
d’exécuter le fonctionnement pas à pas du test (mode manuel).
38
13.
Validation et mise en œuvre du nouveau soft
La mise en œuvre de la station est une succession de résolution de problèmes (validation) au
fur et à mesure des essais ; et d’adaptation des programmes modifiés ou rajoutés pour
permettre de s’adapter aux différents imprévus (lors de la production). C’est une étape
décisive pour le service Qualité Production et le service Process Engineering qui jugera par la
suite la réussite du projet.
Dans ce chapitre nous allons détailler les principales adaptations réalisées ainsi que le
débogage software pour valider et mettre en œuvre la station de test d’une façon définitive.
13.1
Simulateur pour la visualisation du test en temps réel
L’environnement de programmation SIMATIC S7 dispose d’une fonction indispensable et très
utile dans la phase de mise en route d’une installation automatisée. En effet, SIMATIC S7
donne la possibilité de « créer » des simulateurs en temps réel qui visualiseront, avec un cycle
d’acquisition de 1ms, les adresses mémoires, les mnémoniques, les entrées/sorties physiques,
l’état des capteurs… et qui afficheront leurs valeurs (chaîne de caractères, nombre, valeur
booléenne…).
La figure 43 est un imprime écran du simulateur de l’état de la machine lors du passage des
contacteurs de puissance dans le poste 4. Cette fonction m’a permis d’analyser les causes des
différents disfonctionnements de la station et de les corriger par la suite.
Figure 43: INTERFACE DE DEBOGAGE POUR LA MISE EN ROUTE DE LA STATION DE TEST
39
13.2
Visualisation des tensions d’alimentation
Malgré le passage réussi d’un certain nombre de produits, il fallait être sur que les tensions
d’alimentation s’appliquent correctement entre les bornes des bobines des contacteurs. La
source d’alimentation programmable Elgar possède justement une sortie de visualisation qui
permet, lors du test, d’analyser la tension en sortie de la source.
Les figures 43, 44 et 45 sont capturées à l’aide d’un oscilloscope Tektronix 1GHz, lors du test
d’un contacteur 230V.
La figure 44 représente la courbe de tension d’alimentation ON1 (test à 85%.Un).
Figure 44: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION DU TEST A 85%.UN (194.1V)
La partie haute de la figure 44 représente la courbe de tension du début à la fin du test. On
remarque que la tension chute de 194.1V (85%) à 40.8V (≈20%) passant par 174V (75%)
dans moins de 3 secondes. En effet, 3 secondes est la durée maximale du test rajouté. Cela
n’avait aucun impact sur le cycle machine du fait que le test diélectrique dure au minimum 5
secondes.
40
La figure 45 représente la courbe de tension lors du passage du test de 85% au test de 75%
(test ON2).
Figure 45: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION lors du passage de 194V à 174V
On remarque que la tension passe de 194V à 174V d’une manière presque instantanée et se
stabilise à la valeur 75% dans moins de 40ms. Ces performances de la source d’alimentation
Elgar nous ont permis d’être rigoureux et très précis sur le plan qualité du test. Dans ce cas, il
faut noter que la source d’alimentation reste sur le même calibre (HIGH VOLTAGE), qui
permet d’assurer la stabilité des tensions situées entre 135V et 310V. Ce n’est pas le cas pour
le test OFF1 (de 175V à 48V).
41
13.3
Contraintes techniques
13.3.1 Problématique
La figure 46 représente la courbe de tension lors du passage du test de 75% au test de 20%
(test OFF1).
Figure 46: VISUALISATION DE LA COURBE DE TENSION LORS DU PASSAGE DE 75% A 20% DE LA
TENSION NOMINALE
Comme indiqué dans le cahier des charges, le passage par 0V pendant ce passage est interdit,
car dans ce cas, le contacteur n’est surement pas actionné (puisque V=0V), alors que la
fonction principale du test OFF2 est d’assurer le « non actionnement » du contacteur à
20%.Un et non pas à 0%.Un. Par conséquent, le changement du calibre lors du test OFF1
devient interdit. Or, la valeur 40.8V (20% de 230V) n’appartient pas à l’intervalle [135V-310V].
Cette contrainte nous a obligé de perdre (dans un premier temps) en terme de la qualité du
test (car la valeur 20%.Un n’est plus tout à fait stable (à cause du non-changement du
calibre) mais en gardant valide la fonction principale du test.
42
13.3.2 Optimisation
Afin de remédier à cette contrainte, j’ai pensé à une solution software. En effet, la vérification
des contacts (I/O) pendant le test OFF1 s’effectue dans les premières 200ms qui suivent le
passage de la tension de 75% à 20%. Et comme il faudra plus de 200ms à la source
d’alimentation pour stabiliser sa tension, j’ai décidé de rajouter un facteur de correction Fc
(multiplié par la valeur de la tension désirée) afin d’assurer une tension « correcte » dans les
200ms qui suivent le changement de la tension.
Pour les références à bobine 230V, le facteur Fc était fixé à 1.06
Pour les références à bobine 24V, le facteur Fc était fixé à 1. En effet, pour les références 24V,
on reste sur le même calibre pour les trois valeurs de tension (85%, 75% et 20%), ce qui
justifie le choix d’un facteur unitaire.
13.3.3 Cycle machine
Le calcul du cycle machine, d’une manière générale, est très compliqué. C’est pourquoi c’est
l’expérience qui permet de le définir. Pour la station SIASUN, le chronométrage du service
Process Engineering a permis d’estimer un cycle moyen de 8.9 secondes pour le poste 4 (test
de manette inclus). Pour deux références, ce cycle était plus grand que celui de poste 5
(diélectrique), pour cela il a fallu réduire au maximum toutes les temporisations.
13.4
Conception et passage de leurre
Avant de mettre en route une machine de test pour la production définitive, le service Qualité
Production exige une procédure de vérification interne. Pour les stations de test, la conception
et le passage de leurres est obligatoire.
Dans notre cas, le challenge était de concevoir un contacteur 230V ayant la caractéristique
d’être actionné à 85%, à 75% et qui restera actionné à 20% de la tension nominale. Comme
je ne suis pas spécialiste dans la conception électrique des contacteurs, Monsieur MUTHS avait
l’idée de rajouter une résistance en parallèle avec la résistance de limitation afin d’augmenter
le courant bobine et par conséquent, baisser le seuil de déclenchement du contacteur à 15%
au lieu de 20% de la tension nominale.
43
Figure 47: EMPLACEMENT DE LA RESISTANCE EN PARALLELE POUR UN PRODUIT LEURRE.
Avant le passage de leurre, il fallait adapter le soft implémenté dans la station ainsi que le
pupitre utilisateur. J’ai rajouté une référence ‘leurre’ dans la liste des produits finis. J’ai
également forcé les résultats du poste 3 lors de mesure du courant bobine du produit leurre
afin de valider le test sur le poste 4 alors que le courant bobine mesuré n’est plus conforme (à
cause de la résistance rajoutée).
Lors du passage de leurre conçu, la station indique que le produit n’a pas déclenché à 20%.Un
et génère le code erreur correspondant. C’est qu’après ce test que Monsieur MUTHS a validé
le nouveau test des contacteurs de puissance.
La machine est à présent fonctionnelle, on a continué le test des contacteurs avec le nouveau
test et j’ai suivie les opératrices sur la ligne de production pendant les 2 dernières semaines de
stage.
13.5
Implémentation du nouveau test en Turquie
Le site Legrand en Turquie (Legrand ELEKTRIK) fabrique moins de références que celui de
Strasbourg, mais en grande quantité. Le site possède une station de test SIASUN similaire à
celle de Strasbourg, avec une version modifiée du programme automate. En effet, plusieurs
consignes et précautions de sécurité on été rajoutées. C’est pour cette raison que nous avons
décidé d’abord d’analyser le programme existant et le modifié par la suite. Deux produits
leurres ont été conçus et envoyés à la Turquie pour que les techniciens puissent valider
l’implémentation du programme. J’ai également rédigé un tutoriel (en anglais) en décrivant la
procédure d’implémentation, de test et de validation du nouveau test.
44
13.6
Procédure interne de validation de l’action corrective
Après avoir déterminé le cahier des charges du projet SIASUN, deux procédures internes ont
été lancées afin de suivre le travail et l’avancement global du sujet.
L’Action Corrective AC71 :
Une action corrective est une action visant à éliminer une non-confirmé détectée dans une
ligne de production ou dans un processus afin d'en empêcher la réapparition. C’est une
procédure lancée par le Responsable Qualité Production et supervisée par le directeur des
opérations de la division EDIA. Elle a pour but de :





Identifier le besoin ;
Définir les responsables (responsable site, vérificateur, techniciens responsables
d’action…) ;
Définir et mettre œuvre du plan d’action ;
Vérifier l’efficacité de l’action corrective (modalité, délai…) ;
Clôturer l’action à la fin de la mise en œuvre ;
La Modification Process MP33:
Dirigée par le responsable du service Process Engineering, la MP33 a pour but de suivre les
impacts de l’action et d’assurer la satisfaction aux critères ci-dessus :



13.7
Respecter la standardisation des matériels ;
la facilité d’exploitation ou de maintenance après la modification ;
les coûts du matériel ou des installations pour l’implémentation de l’action corrective.
Mise à jour des documents internes
13.7.1 Spécification qualité
Il s’agit d’un document qualité décrivant toute la procédure de test d’un produit. Il définit les
contrôles, les moyens et les critères requis pour effectuer le test. Dans notre cas, il s’agit d’un
contrôle de fonctionnement électrique des contacteurs de puissance utilisant deux sources
d’alimentation programmables (+relais). Le document décrit également les étapes de test, les
valeurs de tension de test le mode de fonctionnement, l’état des contacts et la valeur des
tempos pendant chaque test. La figure 48 représente une partie de la spécification qualité
modifiée.
45
Etape
Action
1
Ue = 0 V
2
Ue = 85% Un
3
Ue = 75% Un
4
Ue = 20% Un
5
Ue = 0 V
6
Manette sur I
7
Ue = 85% Un
8
Ue = 0 V
9
Manette sur O
10
Ue = 85% Un
11
Manette sur Auto
CONTACTEUR PUISSANCE
Vérification état des contacts
Manette
Tempo (ms)
Contact
"F" = Ouvert
AUTO
200
"O" = Fermé
"F" = Fermé
AUTO
200
"O" = Ouvert
"F" = Fermé
AUTO
300
"O" = Ouvert
"F" = Ouvert
AUTO
300
"O" = Fermé
"F" = Ouvert
AUTO
200
"O" = Fermé
"F" = Fermé
I
"O" = Ouvert
"F" = Fermé
I
200
"O" = Ouvert
"F" = Ouvert
I
200
"O" = Fermé
"F" = Ouvert
O
"O" = Fermé
"F" = Ouvert
O
"O" = Fermé
AUTO
Figure 48: SPECIFICATION QUALITE DU NOUVEAU TEST ELECTRIQUE DES CONTACTEURS DE
PUISSANCE
13.7.2 Mode opératoire
Comme précisé précédemment, le mode opératoire de la machine pour les opérateurs reste le
même. La mise à jour de l’IHM et le mode manuel du test électrique ont été bien expliqués au
service de la maintenance pour faciliter leurs interventions.
46
Suivi et revue de projet
Comme cela a déjà été expliqué, le projet est arrivé qu’après la visite d’inspection au site de
Legrand Strasbourg, et n’était pas donc vraiment prévu dans le service. La disponibilité de la
machine (14h à 16h uniquement) a rallongé les phases de l’analyse et de la mise en œuvre.
L’avancement du projet ne s’est pas déroulé d’une manière linéaire comme prévu, mais plutôt
avec des tâches simultanées ; ceci tient au fait de l’interconnexion des différentes tâches
réalisées et la disponibilité de la station de test.
On remarque sur le diagramme (Figure 49) que l’avancement du projet a été moins rapide
entre la 3ème et la 7ème semaine. En effet, la difficulté pendant cette phase était de faire
varier la tension d’alimentation en passant par 4 valeurs. Il fallait s’assurer que les bases de
données se transmissent correctement à la source d’alimentation programmable et que le
temps de chaque variation ne dépasse pas 100ms. Il faut noter aussi que les tests et la
validation du programme API ont demandé plus de temps que les autres phases de projet.
Figure 49 : DIAGRAMME DE GANTT REPRESENTANT LE SUIVI ET LA REVUE DE PROJET
47
Conclusion
Le service Qualité Production du Groupe Legrand à Strasbourg m’a proposé l’étude et la mise
en conformité d’une station de test électrique des contacteurs de puissance.
1. Apports du projet et conclusions techniques
Ce projet m’a permis d’appréhender, pour la première fois, les notions complexes liées aux
gabarits de production et les stations de test automatique en particulier. Le travail a mis
l’accent sur la programmation des API à hautes performances, les interfaces homme-machine
et les protocoles de communication.
Les résultats obtenus par mon étude ont permis d’identifier les non-conformités liées aux
procédures de test et de les corriger selon les normes internationales. J’ai pu démontrer la
faisabilité d’une solution purement software, d’adapter les moyens aux besoins et d’intégrer
les solutions sans aucun impact négatif lié au mode d’emploi ou au cycle machine. De plus,
l’adaptation de l’IHM permettra désormais un suivi en temps réel de l’état et l’avancement des
tests électriques au niveau des dix postes de test.
D’un point de vue qualité de process, le travail a amélioré l’aspect technique de la ligne de
production et a mis à jour la spécification qualité conformément aux exigences de l’organisme
d’inspection externe. Sur le plan économique de l’entreprise, les moyens ayant été adaptés
aux besoins : aucune demande d’investissement et/ou frais n’a été faite.
Une des grandes difficultés techniques du projet était la validation fonctionnelle des solutions.
Il fallait découvrir une philosophie différente de programmation, de comprendre la cause et la
raison de chaque bloc de code afin que je puisse intégrer correctement mes solutions.
La machine est à présent conforme aux procédures de test normalisées, une grande
modification software sera à prévoir pour début 2014 afin d’accompagner des changements de
process, principalement le passage d’une nouvelle série de produits : contacteur à LED.
Un véritable moyen d’évaluer la tâche accomplie durant ce travail serait la visite de
l’organisme d’inspection VDE (prévue le mois d’octobre) et son retour à propos de mes
résultats techniques pour s’assurer des solutions choisies.
2. Apports personnels de l’expérience
Le bilan personnel de mon stage est très positif. Ce projet m’a tout d’abord permis de
travailler sur le terrain dans un milieu de production en chaîne où les moindres pannes liées
aux gabarits de fabrication ou de test peuvent causer de grands dégâts économiques.
48
D’un point de vue plus technique, j’ai approfondi des connaissances sommaires, comme les
protocoles de communication API (bus de terrain Profibus, Fieldbus…), la programmation SCPI
des appareils de test et de mesure et la programmation automate ayant une structure
complexe (communication, temps réel, mesure des grandeurs physiques…).
Une grande autonomie m’a été laissée quant à l’organisation de mon temps de travail et des
activités que je devais réaliser ; en tant que chargé du projet j’avais la responsabilité de son
avancement.
Grâce à mon Projet de Fin d’études, j’ai compris au fur et à mesure le travail de l’ingénieur
informaticien industriel. Sans lui, l’atelier de production peut être rapidement paralysé. Tout au
long du projet, j’étais amené à assurer le bon fonctionnement de la station de test même
pendant la phase de développement (modifications sur des versions virtuelles du soft) et de
suivre le fonctionnement de la ligne de production au quotidien. La diversité des tâches
effectuées m’ont permis de développer d’avantage mon esprit d’analyse et de synthèse.
Le sens du contact était capital pendant les différentes phases du projet pour comprendre les
contraintes de la production et expliquer les solutions proposées.
49
Bibliographie
[1] Dossier administratif: présentation de Legrand®.
[2] Dossier technique: SIASUN ROBOT & AUTOMATION CO., LTD. (Manual for Contactor,
Relay, Compensator hot Crimping and Electric Control Station Model: XSR2C10).
[3] Site Internet fabricant: http://www.shsiasun.com/en/
[4] Institut National de Recherche en Sécurité : « Règlementation et normalisation en
conception machines » [En ligne]:
http://www.inrs.fr/accueil/risques/equipement-travail/exigence-conceptionmachine/reglementation-normalisation.html
[5] Support Siemens Automation en ligne : http://support.automation.siemens.com
[6] CW-P SERIES PROGRAMMABLE AC POWER SOURCE (Programming Manual):
http://www.elgar.com/products/CW/downloads/CW_P_Series_Programming_Manual_M161
691-03-RvE.pdf
[7] CW-M SERIES AC POWER SOURCE (Operation Manual):
http://www.elgar.com/products/CW/downloads/CW_M_Series_Operation_Manual_M161570
-01-RvG.pdf
[8] Norme IEC 60947-4-1 (version complète interne) :
http://webstore.iec.ch/p-preview/info_iec60947-4-1%7Bed2.1%7Db.pdf
50
Glossaire
API: Automate Programmable Industriel
APIdS: Automate Programmable Industriel dédié Sécurité
SCPI: Standard Commands for Programmable Instruments
Profibus: Process Field Bus (bus de terrain)
NO: Normalement Ouvert
NF: Normalement fermé
SADT: Structured Analysis and Design Technical
VDE: Verband Der Elektrotechnik (Association allemande pour l'électrotechnique)
CPU: Central Processing Unit
PLC: Programmable Logic Controller
IHM: Interface Homme-Machine
MPI: Message Passing Interface
CW: Continuous Waves
IEC: International Electrotechnical Commission
AC: Action Corrective
AP: Action Protective
MP: Modification Process
51
Sommaire des annexes
Annexe 1 Plans et structures mécaniques des différents postes de test.
Annexe 2 Schémas de câblage électrique de puissance et liaisons avec les appareils de
mesure.
Annexe 3 Description de la séquence de test électrique des contacteurs de puissance.
Annexe 4 Références des produits concernés par le nouveau test et liste des produits de
validation.
Annexe 5 Document décrivant la spécification qualité concernant la station de test électrique.
Annexe 6 Résultats de chronométrage du temps cycle machine.
Annexe 7 Documents décrivant le déroulement de l’Action Corrective et la Modification
Process concernant le test électrique des contacteurs de puissance.
52

Intégration d`un nouveau contrôle automatisé des contacteurs de

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