applications d`utilisateurs

Transcription

NatIoNal INstrumeNts
applications d’utilisateurs
Cette brochure rassemble les articles candidats
au concours des meilleures applications de 2011,
consacrées à l’occasion de NIDays 2012.
Acquisition/enregistrement de données
Automatisation industrielle
Enseignement
Instrumentation/test électroniques
Systèmes embarqués
nidays.fr/concours
ni.com/france/articles
ISAT Formula Student
NI LabVIEW, NI DIAdem et NI CompactRIO
ont permis de réaliser un système
d’acquisition de données embarqué dans
une monoplace de compétition développée
par un groupe d’élèves ingénieurs.
Les gagnants du concours des meilleures
applications de 2011
Lauréats
2011
Super lauréat toutes catégories confondues
Transposition du concept IronBird de l'industrie aéronautique à
l'industrie ferroviaire
Par Xavier BERGER, SAFRAN ENGINEERING SERVICES
Voir page 80
SAFRAN
Dans la catégorie Acquisition/enregistrement de données
Dispositif innovant de mesure et maîtrise de la consommation électrique par
type d'usages
Par Benjamin NICOLLE, QUALISTEO
Voir page 26
QUALISTEO
Dans la catégorie Automatisation industrielle
Profilométrie laser et NI CompactRIO riment avec économies de peinture !
Par Aurélien COTELLE, ARDPI
Voir page 42
ARDPI
Dans la catégorie Enseignement
Développement d'un robot pour la Coupe de France de robotique 2011
Par David FREY et Jean-Luc AMALBERTI, IUT1 de Grenoble
Voir page 58
IUT Grenoble
Dans la catégorie Instrumentation/test électroniques
Cartographie de défauts en temps réel sur circuits intégrés
Par Sébastien CANY et Luc SAURY, ST-ERICSSON
Voir page 82
ST-ERICSSON
Dans la catégorie Systèmes embarqués
Système de contrôle/commande embarqué, destiné à une application
de soudage automatique de tubes
Par Pascal WATTELIER, SERIMAX
Page 92
SERIMAX
ni.com/france
Table des matières
Banc de test des automates du système de contrôle/commande de la centrale
nucléaire de Dungeness
Atos Worldgrid
4
LabVIEW contribue à apprécier la qualité des eaux des rivières
CETE Est
6
Caractérisation de groupes froids thermochimiques
COLDWAY
8
Optimisation du chêne à merrains et préservation des grandes forêts françaises
CRITT BOIS
10
Rénovation d'un système d'acquisition de données environnementales
EDF
12
Rénovation du système de pilotage de 12 bancs d'essais chez MTT MoteurTest
EMC/MTT MoteurTest
14
Modernisation d'une machine d'essai - Le Banc Gamma-Densimétrique
EUROVIA
16
Simulateur énergétique de réseaux de capteurs appliqués à la surveillance
de sites sensibles par les sapeurs-pompiers
Lab-STICC
18
Une carte d’acquisition de la Série M vole sous un ballon stratosphérique
à 35 km d’altitude
LPMAA
20
Système de monitoring de l'environnement d'un laboratoire souterrain
LSBB (OCA)
22
Nanocaractérisation de matériaux au CEA
MESULOG/CEA
24
Dispositif innovant de mesure et maîtrise de la consommation électrique
par type d’usages
QUALISTEO
26
Banc d'endurance pour boîtes de vitesses automatiques de véhicule électrique
RENAULT
28
Synervia analyse et compare les performances des panneaux photovoltaïques
en conditions réelles d'exploitation
SYNERVIA
30
Utilisation d'une carte FPGA pour des applications biochimiques de criblage
à haut débit
ISIS
32
Création d'un dispositif interactif pour (re)découvrir le plaisir d'écrire
URECA (Université Lille 3)
34
Suivi de la pression dans les anévrismes de l’aorte abdominale traités par Stent
UPMC
36
Déploiement d’un système anti-erreur dans le montage des appareils
de climatisation de VALEO
ALLIANCE VISION/VALEO
38
Contrôle des appareils de climatisation de VALEO en fin de ligne d’assemblage
ALLIANCE VISION/VALEO
40
Profilométrie laser et NI CompactRIO riment avec économies de peinture !
ARDPI
42
Système de classement haut rendement des bois de structure sous
architecture NI selon la norme 14081
INNODURA
44
Contrôle/commande d'un banc d'essais turbomoteur de l'Atelier Industriel
de l'Aéronautique
NÉRYS
46
Saint-Gobain sécurise ses plaques d’égout grâce à la profilométrie LASER 3D
NEW VISION Technologies
48
Pilotage d'une station de production d'hélium polarisé
SAPHIR/ILL
50
EDF caractérise et met au point des pompes à chaleur haute température
pour l'industrie
SAPHIR/EDF
52
EDF R&D choisit une solution basée sur le NI CompactRIO pour la rénovation
de son laboratoire d’essais machines tournantes
STYREL/EDF
54
3
2 ni.com/france
Table des matières
Enseignement
Banc de caractérisation d'antennes en bande X
ENSICAEN
56
Développement d'un robot pour la Coupe de France de robotique 2011
IUT Grenoble
58
Bras de fer électronique : un projet pluridisciplinaire pour les étudiants de l’IUT
de Montpellier
IUT Montpellier
60
Projet pédagogique d'automatisation d’un banc de test à l'IUT Génie Électrique
de Poitiers
IUT Poitiers
62
Banc de validation d’instruments de mesure de vent, développé par des lycéens
Lycée Jules Viette
64
Simuler les instruments embarqués pour la formation des sous-mariniers
NEXEYA SYSTEMS
66
Caractérisation d'un matériau par analyse fréquentielle d'une réponse à un choc
IUT Valenciennes
68
Validation automatique de tableaux de bord chez Magneti Marelli
ALL4TEC
70
Gestion d'obsolescence d'un bus avionique en FPGA avec la carte FlexRIO
chez Thales
DT2E
72
Solution HIL au service de la validation d'unités électroniques embarquées
EMC France
74
LabVIEW pilote le premier « Laser Avancé » - unique en Europe
ENSM.SE
76
Caractérisation de capteurs à pixels MAPS destinés à équiper les grandes
expériences de physique des particules
IPHC
78
Transposition du concept IronBird de l’industrie aéronautique
à l’industrie ferroviaire
SAFRAN
80
Cartographie de défauts en temps réel sur circuits intégrés
ST-ERICSSON
82
Validation du système de Sécurité Quai Voie d'un métro automatique
VIVERIS TECHNOLOGIES
84
Réalisation d’un banc de test générique multi-fonctionnel pour un
équipement médical
86
Cellule de sciage robotisée pour automatiser les chaînes de production
de merrains
CRITT BOIS
88
Pilotage à distance d’une chaîne de mesure non destructive embarquée
sur un drone
NÉRYS
90
Système de contrôle/commande embarqué, destiné à une application
SERIMAX
92
Le NI CompactRIO fait l’ouverture des marchés financiers
STEP AT
94
ni.com/france
3
Banc de test des automates du système de
contrôle/commande de la centrale nucléaire
de Dungeness
Par Jean-François LE GALL, Atos Worldgrid
L’objectif :
La soLution :
Mettre en œuvre un banc de test paramétrable et modulable
dédié à la validation des automates de niveau 1 du système de
contrôle/commande de la centrale de Dungeness (EDF Energy).
Utiliser une configuration bâtie autour d’un PC Windows XP
équipé de deux baies PXI-1045 pilotées par une application
développée sous NI LabVIEW afin d’offrir une solution modulaire
et adaptable.
Atos Worldgrid, filiale d’Atos spécialisée dans le domaine des
Smart Energy et Utilities, met en œuvre, pour British Energy
(aujourd’hui EDF Energy, filiale d’EDF au Royaume-Uni), un système
de contrôle/commande pour la centrale de Dungeness (DPCS :
Data Processing and Control System).
Banc de test des automates de niveau 1
Outre les configurations de pilotage des deux réacteurs, le système
livré comporte une configuration dédiée au test et à la maintenance
(maintenance & test system : M&TS) qui a, entre autres, pour mission
d’assurer le test individuel de n’importe quelle station automate de
niveau 1 du bus 113.
Ce système est basé sur une architecture
Niveau 1/Niveau 2
Niveau 1 :
deux îlots d’automates ABB AC160
assurant des fonctions d’acquisition
de signaux numériques et analogiques
(bus 111 et bus 112) et de
transmission vers le niveau 2.
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« Les diverses ressources disponibles (exemples LabVIEW, site
ni.com, forums, base de connaissances, lava.org ou liste infolabview) constituent un apport riche qui se révèle très utile. »
un troisième îlot d’automates ABB AC160 (bus 113) assurant
des fonctions similaires, avec en plus des fonctions de commande
(envoi de signaux numériques et analogiques vers le procédé).
Les stations de cet îlot coopèrent en s’échangeant des
informations via le bus 114.
Niveau 2 :
système informatique ADACS-N TM (journaux de bord,
dialogue d’alarmes, courbes, synoptiques...)
Cette fonction est remplie par le banc de test « single station
test facilities » qui permet de solliciter la station en test :
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panneau PDS (verrines d’alarmes, afficheurs analogiques).
en émulant ses entrées numériques et analogiques qu’elles
soient locales (acquises par la station en test), ou distantes
(entrées provenant des stations adjacentes et transmises via
le bus 114)
en capturant les sorties locales élaborées (sorties numériques
et analogiques de la station à destination du procédé), ainsi
que les données qu’elle émet vers d’autres stations ou vers
le niveau 2.
Les principales fonctionnalités du banc de test
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Centrale nucléaire de Dungeness
4 ni.com/france
Conversion des signaux analogiques (valeurs physiques
->électriques, simulation des températures de soudure froide
et des thermocouples)
Dialogue interactif de visualisation des grandeurs analogiques
et numériques qu’il s’agisse de données acquises ou calculées
Mode interactif : modification des entrées locales et distantes
de la station en test
Mode scénario : offre la possibilité, via des fichiers de commandes
(scenarii), de piloter les entrées locales ou distantes ainsi que
de capturer, tracer et vérifier les sorties générées par la station
en test
Mode batch : il permet l’enchaînement automatique de scenarii
« Statistical testing » : cette fonction permet une sollicitation de
la station avec d’importants flux de données (typiquement 1500
signaux par seconde) et une capture de toutes les sorties
locales 144 sorties numériques capturées à 160 ms)
■■
« Closed loop model » : plusieurs modèles sont intégrés au
banc de test. Un modèle assure la simulation d’une partie
du procédé en calculant certaines entrées (typiquement des
températures) à partir des sorties numériques générées par
la station (sorties destinées à piloter un actionneur).
test à partir des données de configuration du DPCS (via des bases
MS Access).
La partie temps réel est une application « multithread » modulaire
mettant en œuvre des machines d’états pour les threads de
communication ainsi que la programmation par événements pour
la partie IHM. L’interfaçage de communication sur les bus ABB
(bus 113 et bus 114) passe par deux serveurs OPC. Des clients
OPC, développés en LabVIEW et utilisant l’interface Automation
d’OPC, assurent la communication avec les serveurs OPC. Le
couplage à certaines interfaces système Windows ou à des outils
externes s’effectue au travers d’accès ActiveX et DLL.
Les « plus » de la solution
Le banc de test offre des possibilités d’automatisation des tests
très intéressantes en termes de gain de temps sur l’utilisation
des plates-formes de test. Typiquement, la revalidation complète
d’une station peut nécessiter une exécution de tests en continu
sur une durée de l’ordre de 300 heures.
Architecture du banc de test
À l’usage, la solution retenue s’est révélée évolutive : un certain
nombre de fonctionnalités non prévues au départ ont pu être
ajoutées en cours de projet sans remise en cause de l’architecture
mise en œuvre initialement.
Architecture, configurabilité et dimensionnements
du banc de test
Le banc de test est configurable tant d’un point de vue matériel
que logiciel pour pouvoir s’adapter à la station à tester qui peut
comporter plus ou moins de signaux (la terminologie utilisée pour
la désignation correspond à la vision côté station à tester) :
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entrées numériques locales (64 à 416) : période d’émission
160 ms
entrées analogiques bas niveau (144) et haut niveau (0 à 128) :
période d’émission 640 ms
sorties numériques locales (12 à 144) : période d’acquisition
160 ms
sorties analogiques locales (0 à 48) : période d’acquisition
1000 ms
via OPC : entrées bus 114 (87 à 800), sorties bus 114 (220
à 250), sorties bus 113 (600 à 1130). Pour les échanges OPC,
les périodes d’émission et de réception sont de 1000 ms.
L’application a été mise en œuvre avec LabVIEW sur un PC
Windows XP connecté à deux baies PXI-1045 équipées des
cartes d’acquisition/génération permettant de couvrir les besoins
décrits ci-dessus :
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baie PXI-1045 n°1 : PXI-6704 (*17)
■■
baie PXI-1045 n°2 : PXI-6225 (1), PXI-6512 (*7), PXI-6511 (*3)
Interface homme-machine
Enfin, en termes de développement, les diverses ressources
disponibles que ce soit dans la livraison LabVIEW (exemples), sur
le site ni.com (forums ou base de connaissances), sur lava.org ou
via la liste info-labview constituent un apport riche qui se révèle
très utile.
Pour en savoir plus, vous pouvez contacter :
Jean-François LE GALL
Atos Worldgrid
36, chemin du Vieux Chêne – BP 104
38243 Meylan Cedex
Tél. : +33 (0)4 76 41 46 39
E-mail : [email protected]
Web : www.atos.net
L’application a été développée entièrement en LabVIEW.
Elle comporte une partie gestion de données « off line » qui
assure la génération des fichiers de paramétrage du banc de
ni.com/france
5
LabVIEW contribue à apprécier la qualité
des eaux des rivières
Par Mario MARCHETTI, Ivana DURICKOVIC, Guillaume DEROMBISE, Mathieu MOUTTON, Stéphane LUDWIG, LRPC Nancy-ERA 31
Kawther BEN MABROUK, Marc FONTANA, Patrice BOURSON, Thomas KAUFFMANN, LMOPS-Université Paul Verlaine de Metz
L’objectif :
La soLution :
Détecter et mesurer des modifications dans la qualité des eaux
des rivières.
Utiliser NI LabVIEW avec des solutions efficaces d’acquisition
de données NI CompactDAQ, et un Toolkit LabVIEW pour
un spectromètre.
L’activité humaine utilise des dizaines de milliers de produits
chimiques susceptibles d’entraîner des dangers pour la santé ou
la biodiversité dans les écosystèmes aquatiques. Les rejets d’eau
liés à l’activité humaine se retrouvent soit directement, soit
indirectement dans les milieux aquatiques, et les eaux de surface
employé est couplé à des thermocouples permettant la mesure
de la température de l’air et de l’eau, ainsi qu’à un système GPS,
utilisé comme déclencheur. Les mesures ont été effectuées le
long de la rivière sur une distance d’environ 4,5 km, avec un
spectre récolté tous les 40 à 50 mètres environ. Une interface
LabVIEW a été développée pour le pilotage
de l’ensemble permettant d’obtenir, à
« La fiabilité de la solution matérielle et logicielle a permis de terme, une cartographie des pollutions
conduire des mesures de manière entièrement autonome. » détectées. La détection de ces polluants
s’inscrit dans un cadre de recherche
pluriannuelle du Ministère de l’Écologie.
sont de plus en plus polluées. L’environnement aquatique étant
relativement complexe, la pollution peut atteindre tous les milieux
(fossés, rivières, eaux souterraines...).
La Directive Cadre sur l’Eau se fait l’écho de cette préoccupation et
définit la nature des contaminants dont la présence dans l’eau est
prohibée ou dont les quantités présentes sont à surveiller, soulignant
la nécessité de suivre la qualité des eaux. Notre objectif est de
développer un outil optique dédié à cette problématique. Afin
d’apprécier et de détecter la pollution, il est possible de procéder
de deux manières : soit par identification de l’impact de la pollution
sur l’eau (détection de la pollution générale), soit par recherche de
signature spécifique des polluants (recherche de polluants ciblés).
Une interface unique a été développée sous LabVIEW, couplée à
un châssis NI CompactDAQ équipé de modules dédiés, et utilisant
un toolkit pour le spectromètre. Les développements sous LabVIEW
se sont effectués avec l’appui de solutions logicielles développées
par le passé, et avec l’appui significatif du site de NI Developer
Zone (zone.ni.com). La plate-forme LabVIEW offrait toute la
flexibilité nécessaire pour un déploiement rapide. Elle permet la
détection au fil de l’eau, et complètera judicieusement d’autres
stations de mesures fixes ou mobiles (pH, turbidité...). Tous les
dispositifs embarqués sont alimentés par un onduleur qui délivre
du 220 V alternatif à partir des 12 V continus d’une simple batterie
embarquée sur le bateau.
Des outils pour quantifier l’énergie disponible
Le LRPC Nancy-ERA 31 du CETE de l’Est, en association avec le
LMOPS de l’Université Paul Verlaine de Metz, dispose de moyens
pour apprécier la qualité des eaux des rivières. La principale difficulté
lors du développement d’un outil permettant d’effectuer de telles
mesures est l’adaptation du matériel aux conditions ambiantes.
Pour des mesures en extérieur, le facteur qui peut s’avérer comme
le plus pénalisant pour une méthode optique, est la présence de la
lumière ambiante qui influence fortement le signal.
Par ailleurs, le fait d’effectuer des mesures sur des rivières peut
entraîner d’autres facteurs perturbant le signal utile (turbidité de
l’eau). C’est pour cette raison qu’une campagne de mesures sur
une rivière, la Meurthe, a été effectuée à partir d’un Zodiac afin
de tester le matériel existant et ainsi développer les mesures en
conditions réelles.
L’outil utilisé pour les premières mesures de la pollution de la
rivière Meurthe est basé sur la spectrométrie. Le spectromètre
6 ni.com/france
Le bateau, son équipage et les instruments embarqués
La fiabilité de la solution matérielle et logicielle permet de conduire
des détections de manière autonome, et partout où cela peut se
révéler nécessaire. Le Toolkit LabVIEW du spectromètre permet
d’accéder aux fonctionnalités essentielles de l’instrument. Ces outils
pour des mesures continues et étendues spatialement constituent
une opportunité unique d’identifier une source ponctuelle de pollution.
Une cartographie de la pollution des eaux pourra être établie mettant
en évidence quel type d’infrastructure peut être considéré comme
source de pollution des eaux environnantes et à quel degré (station
d’épuration, activité industrielle, routes...).
n’ont pas été activées. Les signaux analogiques (thermocouples,
sondes platine, tension) des différents capteurs sont respectivement
collectés avec des modules NI 9211, NI 9217 et NI 9205. Toute la
configuration des voies est effectuée via l’interface Measurement
and Automation Explorer (MAX). D’autre part, l’automatisation des
tâches d’acquisition de données permet à l’opérateur de consacrer
intégralement son attention à la navigation. Un compteur permet
d’accéder au nombre de mesures spectrométriques effectuées.
La gestion des erreurs permet d’identifier les erreurs éventuelles
d’acquisition. Le temps d’intégration des 2048 pixels du capteur
CCD du spectromètre et celui d’acquisition sont suffisamment
faibles pour avoir une mesure quasi ponctuelle. De plus, les mesures
atmosphériques sont injectées comme paramètres de calcul dans
le traitement de la mesure spectrométrique pour extraire en temps
réel des premières informations sur cette pollution à l’aide d’une DLL.
Des applications en eaux vives, en eaux stagnantes
et en mer ?
Cette solution validée sur des eaux vives peut assez aisément
s’étendre à d’autres cours et étendues d’eaux, ainsi qu’aux mers.
Les solutions techniques d’alimentation électrique autonome
(panneaux photovoltaïques, piles à combustible) faciliteront le
déploiement d’une surveillance de sites naturels protégés
par exemple.
« Pot pourri » des instruments
Une acquisition rapide et complète grâce à
l’interface MAX
Une géolocalisation des mesures par récupération des données
d’un GPS via le port série RS-232 a été mise en place et servait
de déclenchement des mesures (signal valide chaque seconde).
D’autres solutions tachymétriques de déclenchement existent mais
Mario MARCHETTI
CETE Est - LRPC Nancy - ERA 31
71, rue de la Grande Haie
54510 Tomblaine
Tél. : +33 (0)3 83 18 31 60
Fax : +33 (0)3 83 18 41 00
Web : www.cete-est.developpement-durable.gouv.fr
ni.com/france
7
Caractérisation de groupes froids thermochimiques
Par Laurent DUTRUY, Direction Industrielle, COLDWAY
L’objectif :
La soLution :
Développer un banc autonome de mesure capable d’acquérir et
stocker les données de deux cycles d’un système (groupe froid)
thermochimique.
Utiliser un PC équipé d’une application de contrôle/commande
NI LabVIEW et associé à un système d’acquisition de données
NI CompactDAQ doté d’entrées thermocouple, d’entrées
4-20 mA et de sorties TOR pour le pilotage de relais.
Parmi les principaux acteurs du marché des équipements de
température dirigée, COLDWAY a développé une technologie qui
met en œuvre des systèmes thermochimiques à absorption, pour
proposer une solution intégrée de sécurisation de la chaîne du
froid. Cette solution s’appuie sur la mise à disposition d’un
« Le principal avantage de la
la capacité de faire évoluer
Il est composé de deux éléments, un évaporateur, contenant
de l’ammoniac liquide, et un réacteur, contenant les sels réactifs.
Dès l’ouverture de la vanne, l’ammoniac emmagasiné dans
l’évaporateur s’évapore, ce qui entraîne une production de froid.
L’ammoniac gazeux est fixé par les sels solides contenus dans
le réacteur. La réaction provoque un
dégagement de chaleur. C’est la phase 1.
La température d’évaporation peut atteindre
solution retenue réside dans
-30°C et la température d’absorption plus
rapidement le banc. »
de 100°C.
ensemble assurant, durant le transport, les conditions d’une
conservation optimale des produits (le caisson réfrigéré), la
garantie d’une régulation efficace (système électronique
embarqué proposant seuil de température programmable,
enregistreur et système d’alarme), et une autonomie totale
(système thermochimique ventilé autonome).
Le principe de fonctionnement du système thermochimique
repose sur deux phases.
En phase 1, l’évaporation de l’ammoniac génère du froid (jusqu’à
-30°C) et son absorption dans le réacteur dégage de la chaleur
(plus de 100°C).
Phase 2 : régénération du système
Une fois la réserve d’ammoniac épuisée, le système est rechargeable.
C’est la phase 2. Le réacteur contient le solide dans lequel l’ammoniac
est piégé. Il suffit de lui apporter de la chaleur pour que la phase
de rechargement démarre. Sur les applications développées à ce
jour, c’est une résistance chauffante qui provoque la désorption de
l’ammoniac gazeux qui vient se condenser dans l’évaporateur. À la
fin de cette phase, le procédé peut alors entamer un nouveau cycle.
Exemple d’application de froid 100 % autonome (container de 410 L)
à 5°C, installée dans un utilitaire
Phase 1 : production de froid et de chaleur
Le procédé est basé sur la transformation par évaporation
d’ammoniac liquide en un gaz qui vient réagir avec des sels.
8 ni.com/france
Enchaînement des phases 1 et 2 du cycle du système thermochimique
Principales propriétés
Modulaire et évolutif
Simple et robuste (enveloppe en acier inoxydable), ce système
permet d’assurer la production autonome de froid et/ou de chaleur
de forte intensité, sans électricité, et un stockage de l’énergie (du
froid ou de la chaleur), sans limitation de temps.
Le principal avantage de la solution retenue réside dans la capacité de
faire évoluer rapidement le banc. Effectivement LabVIEW associé à
une plate-forme matérielle ouverte permet une reconfiguration rapide
du banc en ajustant les paramètres de constantes programmables ou
bien en ajoutant des nouvelles boîtes fonctionnelles. Ce qui nécessite
tout au plus le développement d’une nouvelle application.
Une totale autonomie fonctionnelle
L’automatisation des acquisitions sur des cycles de fonctionnement
longs (12 à 24 h selon les modèles de produit) offre un gain de
productivité et limite les risques d’erreur grâce à l’autonomie
complète du banc de test.
De plus, l’amélioration de la pertinence des acquisitions nous
permet chaque jour de progresser dans la caractérisation
thermochimique, base de notre technologie.
Au sein du banc de caractérisation, la plate-forme NI CompactDAQ
assure le contrôle/commande, les boucles d’asservissement et
l’acquisition de multiples capteurs de température, masse, pression
ou état tout ou rien.
Ce banc permet de disposer en fin de cycle d’une quantité très
importante de données brutes ou prétraitées qui alimentent une
base de données. Après dépouillement et analyse, ces données
sont exploitées pour améliorer la caractérisation et les modèles
théoriques de dimensionnement des systèmes thermochimiques
mis en œuvre dans les produits COLDWAY.
En outre, comme aucune pièce n’est en mouvement, le système
exige peu d’entretien et très peu de maintenance. Il n’émet aucun
bruit, ni aucune vibration, et respecte l’environnement (pas de CFC
ou substituts). Il est d’ailleurs possible de le recharger avec des
énergies renouvelables (solaire, récupération de chaleur…).
Un banc de caractérisation pour les nouveaux
développements
Laurent DUTRUY
COLDWAY
Lieu-dit Patau, route de Rivesaltes
66380 Pia
Tél. : +33 (0)4 68 64 71 06
Web : www.coldway.com
Dans le but d’améliorer la caractérisation, l’entreprise a décidé
d’investir dans un banc de test des nouveaux développements
de groupe froid thermochimique.
C’est la plate-forme NI CompactDAQ qui a été retenue afin d’assurer
le contrôle/commande, les boucles d’asservissement et l’acquisition
de multiples capteurs de température, masse, pression ou état tout
ou rien. Nous avons fait appel à un châssis à 8 emplacements,
interfacé en USB, et doté de quatre modules d’E/S :
■■
1 module de mesure sur 16 thermocouples type K
■■
1 module de 4 entrées 4-20 mA
■■
2 modules d’E/S TOR pour 8 relais +/-60 Vcc 0,75 A.
ni.com/france
9
Optimisation du chêne à merrains et préservation
des grandes forêts françaises
Par Jean-Marc RIONDEL, Responsable Systèmes Spéciaux, CRITT BOIS
L’objectif :
La soLution :
Développer un système d’optimisation portable, performant et
ergonomique, destiné aux merrandiers dans le but d’améliorer leur
rendement matière, préserver la ressource naturelle et améliorer la
qualité des merrains (planches de chêne utilisées par les
tonneliers dans la fabrication des barriques).
Utiliser la puissance de la plate-forme NI LabVIEW pour
développer l’algorithme d’optimisation, créer une interface
ergonomique et communiquer avec des éléments industriels
standards.
La merranderie est l'activité du merrandier, qui consiste à produire
des merrains, c'est-à-dire des pièces de bois, généralement de
chêne, fendus en menues planches, dont on fait des tonneaux
ou barriques. Le merrain est la matière première principale
du tonnelier.
Sans système d’optimisation, l’imbrication est aujourd’hui effectuée
par habitude ou à l’aide de gabarits ne permettant pas d’assurer
un rendement matière optimal quelles que soient les dimensions
et qualités des bois.
Le système OPTIMOAK se présente sous la forme d’une valise qui
répond au besoin de souplesse des merrandiers.
La production de merrains est une des spécialités françaises en
raison de l'importance de sa production vinicole et d'alcools vieillis
en fûts de chêne.
Les merranderies sont des scieries qui transforment les grumes
(morceaux de troncs couverts de leur écorce) en merrains. Le
merrain est une pièce de bois, sciée dans un quartier de chêne
d’une manière particulière. Les futurs merrains doivent être
rigoureusement sciés dans le sens radial (orientation des rayons
médullaires du chêne) et doivent respecter le fil du bois. Ces
contraintes de fabrication permettent d'assurer l'étanchéité de
la barrique après montage de celle-ci.
Réduire les pertes de matières
Depuis plus de 20 ans, les merrandiers souffrent d’une
augmentation constante du coût de la matière première (chêne de
première qualité). Ce durcissement des achats d’approvisionnement
les a poussés à revoir leur manière de travailler afin de réduire les
pertes de matière à leur minimum.
10 ni.com/france
Le compas électronique permet de scanner la géométrie à optimiser.
Le CRITT BOIS, centre de ressources pour les entreprises de
la filière bois, a proposé la première machine d’optimisation en
1999 (la seule encore à ce jour pour les merrandiers). Le système,
nommé OPTIFENTE, a été entièrement revu en 2006 avec un
nouveau logiciel et de nouveaux matériels.
Les clients souhaitent aujourd’hui utiliser leurs systèmes
d’optimisation avec plus de souplesse et de liberté. Nous avons
donc développé un outil d’optimisation, appelé OPTIMOAK, plus
adapté au marché et aux besoins des merrandiers.
Un système intégré dans une valise
Le système est composé d’une valise accueillant un compas
électronique et un PC industriel sur lequel s’exécute le logiciel
de calcul.
Le compas permet à l’opérateur de piloter son système en scannant
la géométrie à optimiser. Il est aussi utilisé pour exploiter les résultats
de calcul, en servant à tracer les quartiers et les positions de fente.
L’opérateur place le compas au centre du demi-billon et procède à
une acquisition de la géométrie extérieure du bois (sous écorce).
L’algorithme analyse la géométrie et imbrique l’ensemble des futurs
merrains. Une visualisation graphique du résultat d’imbrication
permet à l’opérateur de reporter les positions de fente sur la bille
à l’aide du compas.
Ergonomique, l’interface logicielle tactile assure une prise
en main rapide.
Un interfaçage industriel standard
Avec un objectif de réduction des coûts, nous avons choisi de
travailler avec des standards industriels (réseau type Modbus).
Le traçage de merrains, réalisé ici par laser avec le système
OPTIFENTE, montre comment doivent s’imbriquer les merrains pour
être sciés dans le sens radial et respecter le fil du bois.
75 % du développement logiciel pour l’algorithme
Côté logiciel, le CRITT BOIS a fait, depuis 2008, le choix de
LabVIEW pour ses divers développements logiciels. Cet outil
nous permet de garantir la stabilité de nos développements et
une capitalisation des fonctions développées. C’est ainsi que
dans le cadre du projet OPTIMOAK, l’interfaçage matériel a pu
être implémenté très rapidement.
Les modules d’entrées/sorties tout-ou-rien et analogiques sont
connectés au PC industriel via une connexion Ethernet. Un driver
de communication Modbus spécifique a été développé. Les modules
mettent ainsi à disposition de l’application LabVIEW les valeurs de
rayon et d’angle du compas et les cartes d’E/S nous permettent
de piloter l’alimentation des LED pour informer l’opérateur des
positions optimales de traçage.
« LabVIEW nous permet de garantir une stabilité
de nos développements et une capitalisation
des fonctions développées. »
10 à 20 % de matière première économisée
L’utilisation du système OPTIMOAK permet à nos clients
d’économiser entre 10 et 20 % de matière première. Cet
outil est aujourd’hui proposé par le CRITT BOIS et peut être
personnalisé pour une intégration optimale dans les processus
de production.
Système OPTIFENTE (antérieur à OPTIMOAK)
Afin d’offrir de meilleures performances aux clients, le système
devait proposer un algorithme d’optimisation donnant le meilleur
rendement en un temps extrêmement réduit (quelques dixièmes
de seconde). Le développement de l’algorithme a représenté
75 % du temps nécessaire au développement complet du logiciel.
Jean-Marc RIONDEL
CRITT BOIS
27, rue Philippe Séguin
BP 91067
88051 Épinal Cedex 9
Tél. : +33 (0)3 29 81 11 70
Web : www.cribois.net
L’interface homme-machine, utilisée par l’opérateur pour entrer
des informations (comme l’épaisseur des merrains, la qualité des
bois, etc.), a été conçue autour d’une dalle tactile. Cette technologie
offre aux utilisateurs une meilleure ergonomie et une prise en main
plus rapide.
ni.com/france
11
Rénovation d’un système d’acquisition
de données environnementales
Par Matthieu WOLSKI, EDF
L’objectif :
La soLution :
Moderniser la version actuelle d’un serveur de données destiné à
acquérir, calculer et transmettre des données environnementales
(hydrologiques et météorologiques), en développant une interface
utilisateur conviviale et simple d’utilisation, en utilisant du matériel
robuste, évolutif, tout en conservant la compatibilité avec l’ancien
système en termes d’entrées/sorties.
Utiliser un châssis PXI Real-Time programmé en LabVIEW afin
d’exploiter sur la base d’algorithme de calcul, de type moyennes
glissantes sur 6 h ou 24 h avec des paramètres différents, les
données environnementales par l’exploitant, pour produire de
l’électricité tout en respectant l’arrêté ministériel de prise d’eau
et de rejet de juin 2004. Un Touch Panel sera utilisé pour réaliser
l’interface homme-machine.
Le C.N.P.E (Centre Nucléaire de Production d’Electricité) de
Cattenom, exploité par EDF, premier exploitant nucléaire mondial,
comme toutes centrales nucléaires en France, est soumis à la
réglementation concernant l’environnement. À cet effet, l’eau, l’air,
la faune et la flore font l’objet d’une surveillance systématique
dans et autour de la centrale. Le site a obtenu la certification ISO
14 001 en janvier 2004 en reconnaissance de son engagement
pour l’environnement. Pour produire l’électricité, la centrale a
besoin de prélever l’eau de la Moselle (rivière) et la rejette après
utilisation. L’arrêté ministériel de juin 2004 autorise le prélèvement
d’eau et le rejet d’eau et de gaz pour les 20 prochaines années
et permet l’exploitation de la centrale tout en respectant les
exigences et en protégeant l’homme et son environnement.
Le serveur de données K.R.S procède à l’acquisition des mesures,
doit les traiter en temps réel et les mettre en forme pour permettre
à l’exploitant de disposer des informations.
Surveillance permanente des critères
environnementaux
La centrale surveille en permanence un ensemble de paramètres
physico-chimiques. Ces paramètres sont regroupés dans un
système qui porte le nom de K.R.S (Surveillance des critères
environnementaux). Le système K.R.S est un ensemble de
capteurs mesurant des débits, la température, la conductivité,
le pH, etc.
Les différentes mesures du système K.R.S
■■
■■
■■
■■
Station Multi-Paramètres (S.M.P) avec les mesures physicochimiques suivantes :
■■
température : T° en °C
■■
oxygène dissous : O2 en mg/L
■■
conductivité : Cd en µS/cm
■■
pH en unité de pH
Mesures hydrologiques (débit en m3/s)
Mesures de la radioactivité dans l’air ambiant (mesure
en nGy/h)
Mesures météorologiques (température air sec,
hygrométrie, vitesse et direction du vent, pluviométrie,
pression atmosphérique…).
Le programme actuel du système, qui a été écrit en langage C,
sur une baie NI SCXI, répond à un cahier des charges très précis.
Le micro-ordinateur doit acquérir, de manière séquentielle, des
données T.O.R. et A.N.A. afin de les traiter pour les envoyer sous
forme de valeurs :
■■
temps réel
■■
moyennées 1 heure, 6 heures, 24 heures
■■
pré-alarmes et alarmes.
Trois phases au projet
La première phase du projet consiste à remplacer le matériel
existant par :
Centrale de Cattenom vue de l’étang du Mirgenbach
12 ni.com/france
■■
un PXI Real-Time
■■
un LabVIEW Touch Panel.
La seconde phase du projet consiste à réécrire le programme
actuel en LabVIEW, programme plus fiable et qui permet de
rendre le système plus sûr avec une interface plus conviviale.
« Sur ce projet, nous avons apprécié National Instruments
qui a toujours su répondre de manière très satisfaisante
à nos interrogations. »
LabVIEW est un environnement de programmation graphique conçu
pour développer des systèmes sophistiqués de mesure, de test et
de contrôle en assemblant des icônes reliées par des liens illustrant le
flux de données. LabVIEW offre une intégration inégalée avec des
milliers de matériels et s’accompagne de centaines de bibliothèques
de fonctions d’analyse et de visualisation des données. Depuis sa
première version en 1986, il est devenu un standard industriel.
La troisième phase du projet consiste à
recâbler toutes nos entrées/sorties pour
faciliter la migration de nos mesures en
numérique ce qui permettra une plus
grande précision.
L’objectif de ce projet est d’avoir un serveur de données plus
fiable et un programme modifiable par les compétences locales.
Sur ce projet, nous avons apprécié National Instruments qui
a toujours su répondre de manière très satisfaisante à
nos interrogations.
Matthieu WOLSKI
EDF
Service Électricité Automatismes
BP 41
57570 Cattenom
Tél. : +33 (0)3 82 51 72 71
E-mail : [email protected] ou [email protected]
Web : www.edf.com
Synoptique d’exploitation temps réel en salle de commande tranche 1
pour la prise d’eau et le rejet liquide
ni.com/france
13
Rénovation du système de pilotage de 12 bancs
d’essais chez MTT MoteurTest
Par Romain ROUFFET, Ingénierie des Moyens d’Essais, EMC
L’objectif :
La soLution :
Concevoir un système d’acquisition et de pilotage de bancs
d’essais permettant de répondre aux besoins actuels et à venir
des essais d’endurance de moteurs à combustion interne.
Centraliser l’acquisition sur un système CompactRIO regroupant
une centaine de voies de mesure. Un ordinateur de bureau
s’exécutant sous NI LabVIEW Real-Time réunit les informations
provenant de tous les éléments du banc et déroule la
procédure d’essais.
MTT MoteurTest est un centre technique spécialisé dans les
essais de caractérisation et d’endurance de moteurs à combustion
interne pour les applications automobiles, industrielles, poids
lourds, nautiques et aéronautiques. Il dispose de douze bancs
d’essais qui permettent de réaliser toutes les gammes d’essais
de ses clients tout en étant standardisés au maximum pour des
raisons de flexibilité et de maintenance.
Un cahier des charges contraignant
Le nouveau système d’acquisition doit permettre de procéder
à des acquisitions à une fréquence de 100 Hz de tous les types
de signaux présents sur le banc, tout en restant compact pour
pouvoir être installé au plus près de l’instrumentation de manière
à améliorer la qualité des signaux.
« Le choix du matériel CompactRIO a permis d’avoir, pour
un coût assez faible, un système capable de regrouper un
grand nombre de voies de natures différentes ainsi qu’une
capacité de calcul embarquée. »
Il est en outre partenaire de la société EMC qui dispose d’un
service spécialisé dans la spécification et la réalisation de systèmes
de pilotage de moyens d’essais et qui a été sollicitée pour
concevoir le nouveau système de pilotage des bancs d’essais.
L’une des activités principales des bancs
étant les essais d’endurance, le système
doit également être fiable pour pouvoir
fonctionner sans intervention humaine
plusieurs jours d’affilée.
Comme le secteur automobile est très
concurrentiel, il était également nécessaire
de penser le nouveau système de manière à limiter l’investissement
initial sans compromettre les possibilités d’évolution et en prenant
en compte le coût de ses évolutions.
Une solution performante, économique, flexible…
Un système de pilotage vieillissant
Le pilotage des bancs était auparavant réalisé sous Windows et
LabVIEW 7.1 avec des boîtiers d’acquisition fonctionnant à une
fréquence de 1 Hz et dotés de 50 voies maximum. Les moteurs
thermiques évoluant pour répondre aux nouvelles normes
d’émission de polluants, le système de pilotage était devenu
obsolète tant au niveau des fréquences de pilotage et d’acquisition
qu’au niveau du nombre et de la nature des voies disponibles.
Conditionneurs
d’air et de fluides

MOTEUR
A TESTER
Machine de
charge
Automates
Module de
puissance
Acquisition

Mesures spécifiques
Le choix du matériel CompactRIO a permis d’avoir pour un coût
assez faible un châssis capable de regrouper un grand nombre
de voies de natures différentes ainsi qu’une capacité de calcul
embarquée. De plus, ce matériel est durci et peut donc être
installé directement dans la cellule d’essais.
L’architecture CompactRIO permet également de rajouter
un châssis d’extension pour augmenter le nombre de voies
d’acquisition si besoin sans modifier la configuration initiale.
Matériel AVL et Horiba
pour banc moteur
CompactRIO
IHM (Labview)
Pilotage PC Real Time
L’architecture du système de pilotage est centrée sur le PC temps réel.
14 ni.com/france
L’acquisition a été réalisée par un système NI cRIO-9074
regroupant 16 sorties analogiques et 100 voies d’acquisition
(tension, courant, thermocouples, résistances de platine). Le
module NI 9222 ainsi que le FPGA du châssis ont permis d’inclure
une fonction de surveillance des pressions des chambres de
combustion du moteur nécessitant une acquisition à 500 kHz.
Une architecture en toile d’araignée
Un ordinateur de bureau s’exécutant sous LabVIEW Real-Time
assure le pilotage à proprement parler du banc et intègre la
communication avec le châssis d’acquisition, les automates
pilotant les relais de puissance du banc, le calculateur moteur
et les différents appareils de mesure du banc (balance de
consommation, baie d’analyse des gaz, etc.). Il dispose également
d’un accès Internet lui permettant d’avertir par e-mail en cas
d’alarme sur le banc.
L’affichage et le paramétrage d’un essai sont effectués grâce à
un exécutable LabVIEW capable de s’exécuter sur n’importe quel
ordinateur du réseau de l’entreprise.
Un dimensionnement adapté
Notre expérience de LabVIEW ainsi que l’aide du support
technique de National Instruments nous ont permis d’exploiter
au mieux les capacités des systèmes choisis et de ne pas les
surdimensionner inutilement, nous aidant ainsi à maîtriser le coût
de l’installation. Le temps de développement nécessaire pour
arriver à ce résultat se justifie par la mise à niveau de douze
bancs avec un ensemble matériel et logiciel identique.
Cette solution permet de répondre aux besoins actuels de
nos clients en termes de fréquence d’acquisition et de voies
disponibles. Le pilotage réalisé sous LabVIEW Real-Time offre
une stabilité beaucoup plus importante qu’avec un ordinateur
fonctionnant sous Windows tout en assurant une fréquence
d’exécution constante. La sécurisation, du moyen d’essais
comme celle du moteur, est donc plus efficace. Ces éléments
permettent de diminuer les arrêts intempestifs des bancs et,
comme la relance d’un banc ne peut pas s’automatiser,
d’augmenter leurs taux d’activité.
L’interface du logiciel permet de visualiser en continu le déroulement
d’un essai.
La configuration nécessite en effet beaucoup de temps et ne peut
être effectuée aujourd’hui qu’en immobilisant le moyen. Il serait
donc utile de développer un simulateur permettant de valider un
essai sans avoir à le réaliser sur un banc.
La surveillance à distance permettrait de visualiser le fonctionnement
d’un banc de chez soi via une connexion Internet sécurisée et
pourrait donc éviter les déplacements inutiles lors des week-ends
et jours fériés.
Romain ROUFFET
EMC
4, allée de la Rhubarbe
78260 Achères
Tél. : +33 (0)1 30 06 77 00
Web : www.emcfrance.fr
Web : www.mtt-moteurtest.com/home.html
Le CompactRIO permet d’intégrer l’acquisition au plus près du moteur
dans le banc d’essais.
La flexibilité des architectures matérielle et logicielle permet
d’avoir un système de pilotage identique pour tous les bancs
d’essais, ce qui diminue les stocks nécessaires pour la
maintenance et donc les coûts d’utilisation.
Quelques pistes d’amélioration
Cette solution est en cours de déploiement sur le site de MTT
MoteurTest et devrait être mise en place sur l’intégralité des
bancs. La principale voie d’amélioration consiste à donner la
possibilité de configurer un essai et à surveiller son déroulement
à distance.
ni.com/france
15
Modernisation d’une machine d’essai – Le Banc
Gamma-Densimétrique
Par Kamal BERRADA et Bertrand POUTEAU, EUROVIA, Centre de recherche et de développement de Mérignac
L’objectif :
La soLution :
Moderniser l’ensemble des composants du Banc GammaDensimétrique jugés nécessaires.
Intégrer des systèmes d’acquisition de données National Instruments
et développer un nouveau logiciel sous NI LabVIEW permettant
d’automatiser toute la procédure.
EUROVIA, leader dans le domaine des infrastructures routières,
dispose d’un centre de recherche et de développement situé
à Mérignac. L’un des objectifs du service « Instrumentation et
Rhéologie », dirigé par M. Bertrand POUTEAU, est de mettre
en place de nouvelles machines d’essais.
L’adaptabilité du matériel National Instruments a été un atout
majeur dans la procédure.
Le Banc Gamma-Densimétrique
Dans le cadre des essais quotidiens, le centre de recherche
d’EUROVIA dispose d’un Banc Gamma-Densimétrique. Cette
machine permet de déterminer la densité d’un échantillon.
La méthode est basée sur les phénomènes d’absorption du
rayonnement gamma par la matière. Cette méthode est rapide,
précise et non destructive.
Le Banc Gamma-Densimétrique a été fabriqué dans les années
80 et souffre aujourd’hui d’une conception obsolète tant au niveau
matériel que logiciel.
L’objectif de ce projet a été de moderniser tout le matériel jugé
trop ancien et de développer un nouveau logiciel sous LabVIEW
permettant d’automatiser toute la procédure. Un stagiaire a été
sélectionné pour faire partie de l’équipe qui modernisera l’ensemble
du parc machines de la société.
Le boîtier électronique
Ce travail de rétro-ingénierie difficile a été possible grâce à
l’accessibilité pratique du matériel National Instruments. Malgré
la nouveauté pour notre profession de cette procédure, il n’a fallu
qu’une semaine pour achever cette tâche.
Le prototype
Une fois le détail des communications obtenu, l’électronique a été
entièrement remplacée par de nouvelles cartes qui permettent de
piloter les différents moteurs. Le contrôle/commande ainsi que
l’acquisition des données issues des différents capteurs de
position sont effectués à l’aide de l’architecture NI CompactDAQ
de National Instruments. Cette solution, de par son caractère
modulable, permet de mettre en place un prototype fonctionnel
avec une grande liberté. Encore une fois, National Instruments
a répondu présent et l’intégration matériel/logiciel a permis de
rapidement programmer un logiciel sous LabVIEW afin de valider
définitivement la solution retenue.
Le Banc Gamma-Densimétrique
Un travail difficile de rétro-ingénierie
Un système espion a été mis en place afin d’identifier l’ensemble
des communications entre la machine et le logiciel de pilotage.
16 ni.com/france
La détection du rayonnement gamma
La prise en charge des standards par LabVIEW a permis de
rapidement piloter un photomultiplicateur via une bibliothèque
ActiveX. Grâce à cela, toute la procédure de détection et du
traitement du rayonnement gamma a pu être reportée directement
sur le logiciel. On a donc pu se passer de matériels dédiés dont le
risque de panne est élevé. Ce risque est largement minimisé au
fur et à mesure que l’on remplace du matériel par des traitements
logiciels directement intégrés à LabVIEW.
Une nouvelle vie pour des machines en fin de vie
L’objectif a été atteint dans le sens où nous disposons aujourd’hui
de trois machines avec une durée de vie de dix ans.
« Le support National Instruments a été d’une grande utilité
et efficacité dans le choix des différents modules ainsi que
ses conseils de mise en œuvre. »
Un des avantages de cette solution est que
le système est robuste du fait du caractère
éprouvé du matériel National Instruments.
Cette solution nous a permis de nous passer
de certains matériels lourds au profit de
modules NI directement intégrés.
Solution finale
À l’issue du prototypage, trois machines ont été modernisées.
La solution finale s’appuie sur le module NI USB-6351, un
système d’acquisition « tout-en-un » disposant de plusieurs
types d’entrées/sorties (E/S numériques, E/S analogiques, E/S
encodeur). Malgré le caractère hautement hétérogène de notre
système, cette solution compacte s’intègre parfaitement dans
le boîtier de commande.
Le logiciel développé sous LabVIEW permet aujourd’hui une
automatisation de la procédure d’essai et donc un gain de temps
conséquent. Le traitement des résultats a été intégré au logiciel et
permet à l’opérateur de rapidement éditer des rapports complets,
chose impossible auparavant. Aujourd’hui, l’application est
constamment améliorée à la vue des recommandations des
différents opérateurs.
Un coût raisonnable pour un projet d’envergure
Un projet à l’échelle nationale
Le coût total du projet de modernisation s‘élève à environ 40 000
euros pour l’ensemble des trois machines. Cette solution est
relativement peu chère comparée au prix global des trois Bancs
Gamma-Densimétriques (300 000 euros).
L’objectif à long terme est de tirer profit de cette expérience et,
pourquoi pas, prévoir de faire de cette solution la marche à suivre
pour moderniser l’ensemble du parc français des Bancs GammaDensimétriques. De plus, même si l’ambition du développement
durable n’est pas le moteur de notre projet, il représente tout de
même une de ses valeurs. Valeurs partagées par
National Instruments.
Un professionnalisme à toute épreuve
Le support National Instruments a été d’une grande utilité et
efficacité dans le choix des différents modules ainsi que ses
conseils de mise en œuvre.
Bernard POUTEAU
EUROVIA
22, rue Thierry Sabine
33703 Mérignac
Tél. : + 33 (0)5 57 92 07 57
Web : www.eurovia.com/fr
Le PC de commande et le PC de développement
ni.com/france
17
Simulateur énergétique de réseaux de capteurs
appliqués à la surveillance de sites sensibles par
les sapeurs-pompiers
Par Nicolas FERRY, Sylvain DUCLOYER, Nathalie JULIEN, Lab-STICC, Université de Bretagne Sud, Lorient
Dominique JUTEL, ERYMA SAS, Lanester
L’objectif :
La soLution :
Évaluer l’autonomie globale et dimensionner les récupérateurs
d’énergie nécessaires aux nœuds d’un réseau de capteurs.
Ces nœuds sont mis en œuvre pour former un réseau sans fil
associé à des capteurs de surveillance périmétrique et d’aide
à l’intervention des sapeurs-pompiers du SDIS29.
Utiliser NI LabVIEW pour concevoir un simulateur énergétique
qui détermine l’autonomie du système et qui permet son
dimensionnement tout au long de la conception en modélisant
le comportement énergétique d’un nœud avec ses contraintes
environnementales.
Ces dernières années, les interventions des sapeurs-pompiers du
SDIS29 se sont multipliées concernant des opérations en milieux
hostiles ou sensibles. Ce type d’interventions requiert la surveillance
d’émanations de gaz toxiques ou de matières dangereuses dans
un périmètre de sécurité. Pour cela, un système de type réseaux
de capteurs peut être déployé sur le terrain, en parallèle d’une
intervention, pour surveiller et prévenir les décisionnaires en temps
réel sur l’évolution d’un sinistre.
À l’heure actuelle, les industriels ont besoin, lors de la conception
de réseaux de capteurs, de pouvoir estimer l’autonomie des nœuds
déployés en fonction de certaines contraintes. Ils doivent alors
dimensionner le système pour être capables d’adapter la capacité
de la batterie, la taille du panneau solaire, etc., suivant la région de
déploiement et la météorologie locale. Ainsi, le même système
déployé à Lille ou à Nice n’aura pas les mêmes contraintes
environnementales. Le but n’est pas ici de pouvoir tester toutes
les éventualités mais de prévoir des cas aux limites (en hiver, en
été, à -20° ou à +55°…).
Le but de l’approche est de trouver un compromis dans la prise
de décision des paramètres de création du système. Le logiciel
permet de simuler l’autonomie du système et de valider le respect
des contraintes au fur et à mesure que la connaissance et les
choix sont actés sur celui-ci.
Simuler la consommation d’un réseau de capteurs
Exemplaire d'un mât autonome en énergie du nœud
du réseau de capteurs CAPNET
Les réseaux de capteurs se composent de nœuds équipés de
capteurs et sont déployés dans une zone géographique donnée.
Au sein de tels réseaux, chaque nœud collecte des informations
par le biais de ses capteurs, puis communique par voie hertzienne
(en radio-fréquence) ses données à un nœud maître appelé le
Superviseur. Étant démunis de connexions filaires, ces nœuds
doivent être autonomes en énergie. Pour cela, ils utilisent des
batteries qui sont rechargées au moyen de l’énergie présente
dans l’environnement. Les nœuds embarquent donc des systèmes
de récupération d’énergie comme un panneau photovoltaïque, une
éolienne, un échangeur thermique ou une des nombreuses autres
sources possibles.
18 ni.com/france
Le projet vise l’étude d’un réseau radio autonome en énergie
et la mise en œuvre d’un démonstrateur comportant dix nœuds.
La topologie de ce réseau sans fil est de type « linéaire ». Il doit
permettre la transmission de données de faible volume (alarmes,
paramètres, images compressées…) à partir de n’importe quel
nœud du réseau vers un superviseur en respectant un temps de
réponse de l’ordre de la seconde. Les nœuds, comme les capteurs
qui y sont raccordés, sont distribués environ tous les 100 mètres
sur plusieurs kilomètres (5 à 10 km). Les nœuds de communication
sont intelligents et autonomes en énergie, ils intègrent de la
mémoire et de la puissance de calcul, plusieurs micro-générateurs
d’énergie électrique de différentes natures, des modules de
communication radio faible consommation et faible puissance.
Le coût visé d’un nœud doit être inférieur à 500 euros.
Du point de vue du simulateur énergétique, il est nécessaire
de calculer à intervalles de temps réguliers la consommation
théorique requise et la puissance récupérée par le nœud. La
consommation dépend du scénario applicatif et notamment du
gestionnaire d’énergie (la DPM) et, bien sûr, de la configuration
matérielle i.e. des composants du système. La puissance
récupérée est, elle, calculée à partir de la météo et des
générateurs d’énergie.
Inclure les prédictions météorologiques
et supporte la programmation orientée objet. Il résout plusieurs
problématiques de la programmation massivement parallèle
connues avec les langages traditionnels. Enfin, les fonctions
fournies en standard sont très complètes et couvrent de nombreux
besoins : fonctions d’interpolation, récupération de données sur
Internet, parseur d’équations mathématiques, accès rapide aux
fichiers, boucles de cadencement synchronisées : autant de
mécanismes importants qu’il aurait été long de développer de
zéro. Néanmoins, certains développements nous ont posé
problèmes comme l’occupation
« LabVIEW résout plusieurs problématiques de la programmation mémoire, la génération dynamique
d’équation, et la définition d’un
massivement parallèle connues avec les langages traditionnels. » langage réflexif pour le pilotage des
actions de la machine à état. C’est
Ainsi, le laboratoire du Lab-STICC a conçu un logiciel baptisé
grâce à la qualité de la documentation en ligne et la patience de
« Wireless Sensor Networks – Power Estimator » dont la finalité
nombreux membres du forum que nous avons pu résoudre ces
est de déterminer, en phase de conception pour un réseau de
difficultés. Nous les en remercions.
capteurs, le dimensionnement du système et in fine l’autonomie
Estimation finale des cartes avec un châssis PXI
des batteries. Ce logiciel prend en compte des scenarii de
La mise en œuvre fait apparaître des améliorations possibles
fonctionnement associés à des données météorologiques de la
pour ce projet. Parmi celles-ci, la nécessité du développement de
zone de déploiement. Il prend également en compte une méthode
nouveaux capteurs basse consommation, le codage des canaux
de modélisation de batterie en température supportant des cycles
de transmission, ou la connectivité ad hoc d’unités mobiles sur
de recharge et décharge en simultané.
le terrain. Nous pensons qu’il est aussi possible d’investir de
nouveaux secteurs comme la gestion énergétique de bâtiments
économes, les transports, ou d’autres systèmes embarqués pour
recréer des modèles de consommation adaptés et de vérifier la
pertinence du système avec le simulateur. Enfin, la consommation
énergétique finale des cartes peut être étudiée grâce au projet
OpenPEOPLE qui utilise une baie avec un châssis PXI.
Le côté novateur de cette approche est l’adjonction d’une fonction
utilisant les prédictions météorologiques pour piloter la DPM
(Dynamic Power Management). Elle permet ainsi de faire varier la
qualité de service des nœuds suivant les prédictions énergétiques
à venir afin d’économiser au maximum les ressources. Actuellement,
aucun réseau de capteurs n’utilise les prédictions météorologiques
pour configurer ses nœuds et/ou adapter la qualité de ses services,
ce qui a motivé nos recherches sur ces aspects.
Nous voulons remercier les partenaires du projet
CAPNET :
Le Wireless Sensor Network - Power Estimator calcule l'autonomie
de la batterie du système
Pour la conception des différents modèles, la démarche applicative
a consisté à utiliser la méthode F.L.P.A développée au sein du
laboratoire. Elle consiste en quatre étapes successives qui vont
permettre de caractériser les éléments du système. Basées au
plus près des composants, des mesures physiques (1) permettent
de caractériser (2) un composant dans plusieurs gammes de
températures et d’en établir un modèle mathématique (3), puis
d’en définir leur degré de précision/d’erreur (4).
SDIS29 - Service Départemental d'Incendie et de Secours
du Finistère
Industriels partenaires : ERYMA Security Systems, DeltaDore
et AtlanticRF
Universités partenaires : I.E.T.R de Rennes et le Lab-STICC
Financeurs : Pôle Image et Réseaux, Conseil Général du
Morbihan, Région Bretagne, et le Ministère Français de
l'Economie, des Finances et de l'Industrie
Nicolas FERRY
Centre de Recherche du Lab-STICC
Rue Saint Maudé
56100 Lorient Cedex
Tél. : +33 (0)2 97 87 46 16
Web : www.labsticc.fr
Des difficultés résolues grâce au forum NI
Pour le simulateur, nous avons choisi NI LabVIEW pour plusieurs
raisons. Tout d’abord, c’est un langage intuitif et assez rapide à
appréhender. Nous en avions entendu parler voire un peu pratiqué.
Après avoir suivi une brève formation, nous avons été rapidement
en mesure d’appréhender la plupart des problématiques de réalisation
par nous-mêmes. Il faut aussi souligner que le langage G est graphique
ni.com/france
19
Une carte d’acquisition de la Série M vole sous
un ballon stratosphérique à 35 km d’altitude
Par Jennifer DA COSTA, Équipe Atmosphère, LPMAA/CNRS/UPMC
L’objectif :
La soLution :
Mettre en place un nouveau système d’acquisition de signaux
issus des détecteurs d’un spectromètre à Transformée de Fourier
et rénover l’ordinateur de contrôle et de commande à distance
de l’instrument.
Utiliser une carte d’acquisition de données (DAQ) multifonction
pilotée sous NI LabWindows™ /CVI afin de développer les
applications d’acquisition et de traitement numérique des données
ainsi que le système de communication entre le spectromètre,
l’ordinateur de bord et le sol.
L’une des activités du LPMAA (Laboratoire de Physique Moléculaire
pour l’Atmosphère et l’Astrophysique) porte sur la physique
moléculaire et ses applications pour l’étude de l’atmosphère
terrestre. Développée par l’Équipe Atmosphère, l’application
entre dans le cadre d’une expérience embarquée sous ballon
stratosphérique. Le but de l’expérience est de mesurer la
distribution des espèces moléculaires atmosphériques par
spectroscopie infrarouge.
Acquérir des signaux d’interférences
Notre spectromètre est basé sur un interféromètre de type
Michelson. Il est constitué d’une lame séparatrice, d’un miroir fixe
et d’un miroir mobile se déplaçant le long d’un tube. Deux signaux
d’interférences contenant les informations spectrales sont générés
puis récupérés par deux détecteurs. À la sortie des détecteurs, les
signaux sont filtrés pour ne garder que la partie utile du signal, à
savoir l’interférogramme. C’est de cette partie dont nous voulons
faire l’acquisition.
La numérisation des interférogrammes
se fait sur la longueur de déplacement du
miroir mobile (25 cm au maximum) et est
synchronisée sur une source laser HeNe
stabilisée en fréquence et dont la longueur
d’onde est connue. La fréquence de numérisation est liée à la
vitesse de déplacement du miroir mobile. Nous faisons donc une
acquisition à chaque déplacement d’une certaine longueur d’onde.
« Les solutions National Instruments nous permettent
d’évoluer vers un système d’acquisition et de contrôle
offrant des performances améliorées. »
Dans le cadre de la rénovation de l’électronique d’acquisition et de
contrôle d’un spectromètre à Transformée de Fourier, l’application
ici développée doit remplacer le système existant. Ce dernier
comporte des composantes qui ne sont plus disponibles. De plus,
le fait que nous développions nous-mêmes notre application va
permettre d’en assurer plus facilement la maintenance, le suivi
et l’évolution.
Spectromètre à Transformée de Fourier et nouvel ordinateur de bord
intégrés à la nacelle
Évolution du matériel pour une application
plus modulaire
L’instrument sous un ballon stratosphérique lors d’une
campagne en Suède
20 ni.com/france
Le système à remplacer était composé de deux parties : la partie
acquisition et la partie contrôle. Le module d’acquisition comprenait
deux C A/N fonctionnant en parallèle pour l’obtention d’une meilleure
résolution. La partie contrôle gère l’interféromètre avec ses différents
paramètres d’initialisation mais aussi le stockage des données, le
filtrage numérique et la communication avec le sol. Cette partie
La marque LabWindows est utilisée sous licence Microsoft Corporation. Windows est une marque déposée de Microsoft Corporation aux États-Unis et dans d’autres pays.
était composée d’un microprocesseur de type Pentium à 60 MHz,
de 32 Mo de mémoire vive, d’un disque dur dans un caisson
pressurisé de 300 Mo et d’interfaces de communication série
RS-232 et RS-422.
Interface du programme d’acquisition installé sur le PC embarqué
dans la nacelle
Afin de répondre aux différentes contraintes, comme la pression
ou la température, liées à l’environnement stratosphérique, nous
nous sommes orientés vers un PC industriel sans ventilateur sous
Windows XP auquel nous avons intégré une carte d’acquisition
multifonction de la Série M. Avec une très forte variation d’amplitude
de nos signaux, il était nécessaire d’avoir une résolution supérieure
à 16 bits. De plus, nous avions besoin d’une voie numérique pour
y connecter notre signal de synchronisation laser d’une fréquence
d’environ 15 kHz au minimum et pouvant aller jusqu’à 130 kHz
selon la vitesse de déplacement du miroir. Avec sa résolution de
18 bits, sa fréquence d’échantillonnage de 625 kéch./s et ses
voies de cadencement externe, la carte haute précision NI PCI-6280
présentait les caractéristiques nécessaires pour nous permettre
d’effectuer une numérisation correcte de nos interférogrammes.
Des acquisitions en continu commandées à distance
Pour développer notre application et l’IHM de contrôle de
l’instrument, notre choix s’est porté sur LabWindows/CVI
accompagné du driver NI-DAQmx. La prise en main du logiciel
avec les fonctionnalités DAQmx a été facilitée par l’utilisation du
tutorial et des différents exemples d’application. De plus, nous
avons eu de très bonnes interactions avec les ingénieurs NI. Ils
nous ont orientés dans le choix de notre carte NI PCI-6280 suite
à une première étude avec la carte NI PCI-5922 qui n’était pas
totalement adaptée à notre application.
À bord, l’instrument est contrôlé par l’ordinateur et communique
avec celui-ci par liaison série. Le programme envoie les paramètres
d’initialisation (vitesse de déplacement du miroir ou longueur
de parcours par exemple) et les instructions de commande à
l’instrument. Ce dernier répond en indiquant son état, puis les
différentes positions du miroir. Alors, une acquisition continue
démarre/s’arrête dès que le miroir est à une extrémité ou à l’autre
du tube (l’acquisition se fait dans les deux sens de déplacement)
et cela en continu pendant toute la durée du vol. Les données
acquises sont ensuite sauvegardées à bord. Parallèlement à cela,
plusieurs informations sont envoyées au sol comme les différents
états de l’acquisition et les interférogrammes à basse résolution.
Avec les fonctionnalités de multithreading de LabWindows/CVI,
nous avons implémenté des threads pour pouvoir gérer plus
facilement les différentes tâches de l’application à bord, à savoir
le contrôle de l’instrument, l’acquisition des interférogrammes, le
traitement numérique des données et la communication avec le sol.
Au sol, la communication avec l’ordinateur de bord se fait par liaison
série et par l’intermédiaire du système de télémesure du CNES
(Centre National d’Etudes Spatiales). C’est l’utilisateur au sol qui
envoie les commandes et les différents paramètres d’initialisation
pour le spectromètre et la carte d’acquisition. Il existe différents
modes de fonctionnement : le mode test où l’on vérifie le bon
fonctionnement de la communication entre le bord et le sol, le
mode d’acquisition classique et un mode où les acquisitions de
très courtes durées à un endroit défini permettent de faire des
réglages optiques au sol et de surveiller les signaux lors d’un vol.
Il faut aussi noter que l’ordinateur de bord doit être en mesure de
continuer, voire de démarrer une séquence d’acquisition dans le
cas où la liaison de télémesure/télécommande serait interrompue.
Un système validé et en évolution
L’ensemble du système a pu être testé en avril 2011 lors d’une
campagne ballon avec le CNES en Suède. Opérant parallèlement
au système à rénover, les résultats obtenus lors de ce vol ont
permis de valider ce nouveau système d’acquisition et de contrôle.
Ainsi, la rénovation de notre application ne s’arrête pas là, et nous
travaillons donc à faire évoluer notre système de communication
en passant au protocole TCP/IP. Nous aurions un meilleur débit de
communication pour l’envoi de flux de données en continu, mais
cela nous permettrait aussi de nous adapter au nouveau système
de télémesure du CNES. Nous souhaitons aussi évoluer vers un
système d’exploitation temps réel qui s’avère être très avantageux
pour nos applications où la datation des événements doit être la
plus précise possible.
Les solutions National Instruments nous permettent d’évoluer vers
un système d’acquisition et de contrôle offrant des performances
améliorées telles que la capacité de stockage ou la vitesse de
transmission des données mais aussi vers un système plus compact
et évolutif.
Jennifer DA COSTA
Université Pierre et Marie Curie, Tour 32-33
4, place Jussieu
75005 Paris
Tél. : +33 (0)1 44 27 69 71
Web : www.lpma.jussieu.fr
ni.com/france
21
Système de monitoring de l’environnement
d’un laboratoire souterrain
Par Julien POUPENEY, LSBB
L’objectif :
La soLution :
Concevoir un système de mesure de température, pression
et humidité sur l’ensemble du LSBB (Laboratoire Souterrain
à Bas Bruit), ancien poste de conduite de tir du plateau d’Albion
comprenant 3,7 km de galeries où les transmissions sans fil sont
proscrites. Dans le but d’observer les variations de ces paramètres
afin de les intégrer dans les calculs d’incertitudes des expériences
menées au laboratoire.
Utiliser un réseau fibre optique pour transmettre les données
en TCP sur les 3700 m du laboratoire. Utiliser un modèle 3D du
laboratoire pour y mapper une dizaine de stations comprenant au
moins trois capteurs chacune grâce au mappage de capteurs sur
modèle 3D de NI LabVIEW. Afficher en temps réel une image
thermique, barométrique et hygrométrique du laboratoire en
utilisant la fenêtre de rendu 3D. Afficher en parallèle sur la
face-avant les valeurs des capteurs souhaités par l’utilisateur.
Enregistrer ces données dans des fichiers tableur de 24 h afin
de pouvoir travailler ultérieurement sur ces données.
Le LSBB (Laboratoire Souterrain à Bas Bruit) de Rustrel (Vaucluse) est
un laboratoire de recherche interdisciplinaire qui se trouve être l’ancien
poste de conduite de tir des missiles du plateau d’Albion. Il fut converti
en laboratoire à la suite du démantèlement du plateau en 1998.
L’ancien poste de commande de tir nucléaire du plateau d’Albion
sous 500 m de roche est une chambre blindée unique au monde
par son volume (1250 m3).
Le LSBB est une plate-forme carbonatée analogue aux réservoirs
d’eau et pétrolifères du Moyen-Orient, accessible en surface, et
en souterrain, dans la zone non saturée au-dessus de l’aquifère
de Fontaine de Vaucluse.
Le site bénéficie d’un environnement très bas bruit (sismique,
anthropique, électromagnétique) dans la zone la plus profonde,
pour la qualification de systèmes et composants nanoélectroniques
et l’étalonnage de dispositifs métrologiques avancés.
« LabVIEW a pu répondre au problème
d’archivage des informations au-delà
Entrée des galeries
22 ni.com/france
Le niveau de bruit électromagnétique est inférieur à 2 fT/√Hz
au-dessus de 50 Hz (cent fois moins que l’activité magnétique du
cerveau dans sa phase de sommeil profond). Des expériences de
détection d’événements de très faible amplitude ou de résolution
ultime peuvent donc y être conduites.
Mesurer la température, la pression et le taux
d’humidité de l’environnement
Dans le but de mieux comprendre l’environnement du laboratoire,
nous avons décidé de mesurer les paramètres de celui-ci. En effet,
il est nécessaire de connaître la température,
la pression et le taux d’humidité pour pouvoir
d’affichage et
corriger les mesures des appareils installés
à l’intérieur de l’ouvrage.
de nos espérances. »
Système d’acquisition
Grâce à la facilité avec laquelle il est possible de venir lire des
informations utilisant le protocole TCP/IP, il nous a été possible
d’afficher les informations de plusieurs stations à la fois.
De plus, grâce à la gestion de boucles en parallèle et à l’utilisation
des files d’attente, nous pouvons écrire toutes ces données dans
des fichiers de manière parfaitement synchrone, ce qui est capital
pour pouvoir effectuer des corrélations avec d’autres phénomènes
enregistrés au LSBB.
Face-avant LabVIEW
De plus, ces mesures apportent des informations capitales
sur la « vie » du massif qui abrite le laboratoire.
Développement des stations
Nous avons commencé par développer des stations sur une
base Arduino nous permettant de fournir les mesures de
manière synchrone et via le réseau Internet.
Rendu 3D
Mais nous ne nous sommes pas arrêtés là ; en travaillant sur
l’interface utilisateur, nous avons découvert la fonction de
mappage de capteur sur un modèle 3D.
Suite à cela, un modèle des galeries du LSBB a été commandé
et il a été possible d’afficher en temps réel les informations de
température, pression, et humidité sur l’ensemble des galeries.
Salle du groupe électrogène
Mais un problème subsistait toujours : comment afficher et archiver
ces informations de manière simple et efficace ? LabVIEW a pu
répondre à ce problème au-delà de nos espérances.
Julien POUPENEY
LSBB
La Grande Combe
84400 Rustrel
Tél. : +33 (0)4 90 04 99 00
Fax : +33 (0)4 90 04 99 01
Web : lsbb.oca.eu
ni.com/france
23
Nanocaractérisation de matériaux au CEA
Par Luc DESRUELLE (MESULOG), Denis JALABERT (CEA) et François PIERRE (LETI)
L’objectif :
La soLution :
Mettre à disposition des scientifiques du département de
recherche sur les matériaux du CEA un système d’acquisition
rapide et automatisé intégrant une représentation conviviale des
données scientifiques ainsi qu’un outil d’analyse de ces mesures
dans le domaine de l’infiniment petit.
S’appuyer sur l’étendue des possibilités du logiciel NI LabVIEW
pour piloter les équipements du laboratoire de recherche, pour
réaliser des acquisitions précises dans un environnement perturbé
par de la haute tension et pour proposer un outil d’analyse des
mesures performant et à haute valeur ajoutée.
Sur les dernières décennies s’est fait sentir le besoin de développer
des moyens d’investigation adaptés à la réduction constante des
dimensions, vers l’infiniment petit. Dans cette logique, le CEA
Grenoble MINATEC a fait l’acquisition d’un système de spectrométrie
par diffusion d’ions de moyenne énergie (MEIS). C’est un moyen
de nanocaractérisation qui permet l’analyse chimique et structurale
d’objets de tailles nanométriques placés dans un environnement
ultravide. Cette technique est appliquée principalement aux dispositifs
destinés à l’enregistrement magnétique et à la microélectronique.
Principe de la nanocaractérisation
Automatiser un système d’acquisition dans un
environnement scientifique complexe
Système de spectrométrie par diffusion d’ions de moyenne énergie
(MEIS) destiné à l’analyse chimique et structurale d’objets de
tailles nanométriques
Le logiciel de supervision fourni avec cet équipement permettait
uniquement d’assurer le pilotage manuel de l’installation, nécessitant
donc une présence humaine constante. Or, les essais complets,
tels qu’ils sont menés au CEA peuvent s’étaler sur plusieurs jours.
De plus, les outils d’analyse associés étaient inexistants, ce qui
rendait l’interprétation des résultats longue et fastidieuse. Il était
indispensable de réaliser un système de pilotage et d’acquisition
entièrement automatisé, accompagné d’un outil d’analyse des
résultats performant.
En 2006, le CEA a consulté la société MESULOG, partenaire
National Instruments, pour une pré-étude de validation de
l’architecture matérielle et logicielle. Fort des résultats obtenus,
le développement a été déclenché et la réalisation s’est effectuée
en plusieurs phases, sur plusieurs années.
24 ni.com/france
L’un des premiers défis dans la réalisation de ce logiciel a été la
compréhension de l’environnement scientifique complexe du CEA.
L’utilisateur règle la position de l’échantillon à travers les trois
rotations d’un goniomètre, par l’intermédiaire de deux cartes de
commande d’axes. Un accélérateur délivre un faisceau d’ions sur
l’échantillon, au travers du pilotage d’un obturateur, via un relais.
Un analyseur permet de contrôler l’énergie des particules diffusées,
via deux alimentations haute tension. La nanocaractérisation est
réalisée par la mesure d’un détecteur qui permet de comptabiliser
le nombre d’apparitions des particules incidentes, et de fournir un
spectre en deux dimensions (énergie, angle). Des séries de mesures
successives sont réalisées à des tensions de faisceaux différentes,
permettant ainsi de caractériser complètement l’échantillon.
Piloter des appareils de laboratoire imposés
Un autre défi a été de piloter les appareils imposés par l’équipement
du laboratoire. Le driver, code permettant d’interagir avec l’appareil,
est alors un élément déterminant.
Les cartes de commande d’axes ont la particularité d’être au format
bus ISA et non Plug-and-Play, donc non reconnues par un PC sous
Windows XP. Leur pilotage a nécessité le développement d’un
driver spécifique sous LabVIEW, par encapsulation des fonctions
d’une DLL.
L’arrêt de la mesure est conditionné par la « dose » correspondant
à l’intégration de la mesure du courant d’ions reçu sur l’échantillon
cible. Cette mesure est réalisée par un picoampèremètre Keithley
6485, appareil de grande précision en mesure de très faible courant,
configuré en résolution 5 chiffres ½ avec une résolution de 10 fA.
L’utilisation du driver VISA a permis d’obtenir des cycles
d’interrogations inférieurs à 100 ms.
Un matériel USB pour piloter les alimentations
HT et les relais
sur certaines zones de caractérisation, de parcourir la visualisation
en 3D des mesures, ou de se positionner selon un angle. Le logiciel
d’analyse permet également de faire dynamiquement des sections
2D, en angle ou en énergie. Ces fonctions apportent des informations
très pertinentes aux chercheurs lors de leurs investigations.
Le pilotage des alimentations haute tension et des relais de
commande des obturateurs a été ajouté en 2006 à l’équipement
existant. Logiquement, MESULOG s’est orienté vers du matériel
National Instruments DAQPad-6015 sur port USB, d’une résolution
sur 16 bits, couplé à des modules de conditionnement du signal
« SCC » pour assurer l’isolation. Le placement de la carte d’acquisition
hors du PC, le plus près possible des signaux à acquérir et de
l’alimentation haute tension à piloter, a permis de maximiser le
rapport signal sur bruit. Ce nouveau matériel a été complètement
intégré dans la baie 19’’ de l’équipement.
Le driver NI-DAQmx de pilotage des cartes d’acquisition
National Instruments fournit un environnement rapide et
puissant de programmation. De plus, l’utilitaire Measurement
& Automation Explorer (MAX) permet de définir une échelle de
conversion « Signal électrique vers unité physique » modifiable
par l’utilisateur, en dehors de l’exécutable.
Le logiciel de pilotage MEISVIEW ainsi réalisé assure le pilotage
aussi bien manuel qu’automatique de l’équipement, les mesures
sont affichées en temps réel et le scientifique peut ainsi suivre
l’évolution des essais.
Le matériel NI de pilotage des alimentations HT et des relais de
commande des obturateurs a été intégré dans la baie 19’’
de l’équipement.
« NI LabVIEW a été choisi pour sa capacité à piloter des
systèmes de technologies et marques différentes. »
Un logiciel d’analyse et de comparaison des essais
pour faciliter la validation du produit
En 2010, MESULOG a développé un second logiciel d’aide à
l’analyse post-acquisition, MEISAnalyser, donnant la possibilité
aux scientifiques de visualiser les données générées par l’application
sur plusieurs postes, de réaliser automatiquement des rapports et
d’exporter les mesures dans des formats compatibles avec d’autres
outils d’analyses (Matlab, Excel…).
La puissante bibliothèque mathématique
de LabVIEW a été utilisée. Des algorithmes
spécifiques de reconstruction d’images ont
été réalisés pour prendre en compte la
non-linéarité des mesures.
Le logiciel développé en concertation permanente avec le client
est au final très intuitif et convivial. Aucune formation
complémentaire n’a été nécessaire.
Un bilan plus que positif et un brevet déposé
L’automatisation de la plate-forme MEIS du CEA a permis d’accroître
considérablement le nombre d’essais, et de mettre à disposition
des scientifiques un outil convivial et performant d’aide à l’analyse.
Cette solution, plébiscitée par les utilisateurs, est aujourd’hui
largement utilisée. De nouvelles évolutions sont prévues pour
l’année 2012.
La flexibilité de l’outil a permis au CEA de déposer un brevet sur
une nouvelle méthode de caractérisation structurale 3 dimensions
à partir de balayages successifs en angle et de la reconstruction
du spectre 2D.
Le logiciel d’analyse met de nombreuses fonctionnalités à la
disposition des chercheurs.
Luc DESRUELLE
MESULOG
173, rue du rocher de Lorzier
38430 Moirans
Tél. : +33 (0)4 76 35 20 17
Web : www.mesulog.fr
De nombreuses fonctionnalités ont été mises à la disposition des
chercheurs, leur permettant d’avoir des informations plus précises
ni.com/france
25
Lauréat
2011
Dispositif innovant de mesure et maîtrise
de la consommation électrique par type d’usages
Par Dr Benjamin NICOLLE, Responsable distribution, clients et Ingénieur R&D, QUALISTEO
L’objectif :
La soLution :
Industrialiser un système innovant de mesure et d’analyse de
la consommation électrique par type d’usage, à la fois simple,
économique et sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un
capteur pour chaque appareil à qualifier.
S’appuyer sur l’offre matérielle de National Instruments
pour concevoir et déployer des systèmes de mesure à base
de capteurs non intrusifs positionnés au tableau électrique
de l’installation.
La mesure de la consommation électrique par type d’usage dans
les bâtiments n’est aujourd’hui utilisée que par les plus gros
consommateurs, soit dans moins de 0,1 % des bâtiments
construits. En l’absence de données décrivant les détails de la
consommation, aucune approche analytique d’optimisation n’est
possible. Les solutions techniques existantes combinent un triple
handicap : leur coût élevé, leur complexité de mise en œuvre
et leur absence d’interopérabilité ou de compatibilité avec les
équipements installés.
Une solution économique à partir d’un seul point
de mesure
Cette approche, qui répond aux limitations des systèmes actuels,
permet la synthèse des indicateurs d’usage électrique à très bas
coûts d’investissement et de fonctionnement à partir d’un unique
point de mesure. Des techniques avancées de traitement du signal
et de reconnaissance de formes sont alors appliquées pour identifier
la mise en marche, l’arrêt et le changement de régime des appareils
en fonction de leur signature électrique.
Nous nous appuyons sur un procédé innovant et breveté issu
de travaux universitaires. Après avoir effectué le transfert de
technologie et mis en place les premiers déploiements, nous
avons organisé l’industrialisation du procédé. Une approche
« top-down » depuis la recherche jusqu’au produit industrialisé
à vocation de déploiement international a été mise en œuvre en
s’appuyant sur un partenariat avec National Instruments (NI).
Travailler avec NI au quotidien est la définition d’une relation de
partenariat durable qui va au-delà de l’aspect industriel : apport du
réseau local universitaire et volonté de collaboration au quotidien
avec les équipes (support, publications, etc.).
Figure 1. Le produit « type » est basé sur du matériel NI CompactDAQ
de conditionnement et d’acquisition de signaux issus de capteurs non
intrusifs aux technologies variables.
Pour répondre à ce besoin universel de mesure électrique,
QUALISTEO a développé une technologie d’analyse de
consommation électrique par type d’usage alliant coûts de
mesure réduits et déploiement sur site simplifié. L’entreprise,
soutenue par l’incubateur Paca Est, est une startup éco-innovante
au service des économies d’énergie, lauréate du concours Talents
2011 de la création d’entreprise pour l’innovation en PACA, du
« European Cleantech Challenge » et prix « Meilleur espoir 2011
du pôle de compétitivité SCS ».
En nous appuyant sur l’offre matérielle de NI, nous proposons
des produits dont les capteurs non intrusifs sont positionnés au
tableau électrique de l’installation, où sont raccordés tous les
appareils à qualifier, sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un
capteur pour chaque appareil.
26 ni.com/france
Figure 2. Exemple de mise en place d’un produit, au sein d’un
tableau électrique général
Du PXI pour l’expérimentation jusqu’à la carte
Single-Board RIO pour l’industrialisation
L’évolution du laboratoire jusqu’à l’industrialisation s’appuie sur
une base logicielle (NI LabVIEW) commune à différentes platesformes matérielles NI : PXI en phase d’expérimentation,
NI CompactDAQ/NI CompactRIO en premiers déploiements,
et cartes Single-Board RIO pour l’industrialisation.
temps réel, sous la forme de châssis NI CompactDAQ (9163,
NI cDAQ-9188) associés à un contrôleur externe, puis d’un
système intégré CompactRIO (cRIO-9076) et enfin d’une carte
embarquée Single-Board RIO (NI sbRIO-9631), nous avons fait le
choix d’embarquer nos algorithmes de traitement en temps réel
pour réduire le volume des données à envoyer (2 et 3). Ces données
sont alors présentées sous plusieurs formes : rapports, écrans
interactifs en utilisant l’ergonomie native de LabVIEW et sa capacité
de développement d’IHM (4).
Une intégration dans des systèmes de gestion de bâtiments ou de
contrôle/commande (NI 9472 de la Série C) est alors possible pour
automatiser une gestion intelligente de la consommation électrique.
Une seule et même IHM de configuration et
de traitement
Figure 3. Les données issues des capteurs (1) positionnés au tableau
électrique, sont transmises (2) et mises en forme sur un site distant où
des algorithmes de traitement (3) distinguent les équipements et où
les résultats obtenus (4) peuvent être présentés sous plusieurs formes.
Par exemple, le produit présenté sur la Figure 1 est basé sur du
matériel NI CompactDAQ, sous la forme d’un module de la Série
C installé dans un châssis à un emplacement. Il permet le traitement
de plusieurs voies acquises par des capteurs. Sa mise en place chez
un client est illustrée par la Figure 2, témoignant d’une installation
invisible et propre.
Une base logicielle commune à différents types
de cibles
La conception du logiciel d’acquisition s’est appuyée sur des
échanges et des validations avec le support technique de NI.
Réactif et proche de ses utilisateurs, il nous a permis de construire
une base évolutive pour d’autres produits utilisant la technologie
CompactRIO et Single-Board RIO (boucle producteur/consommateur,
stabilité et qualification des boucles de traitement, affichage et
traitement des données). Ainsi, la partie logicielle conçue
Le logiciel de configuration et de traitement des données se présente
avec la même interface homme-machine quelle que soit la plate-forme
matérielle utilisée (NI CompactDAQ, CompactRIO, Single-Board
RIO) afin de simplifier la formation et la prise en main de l’opérateur
qui effectue la mise en place du produit. Ce programme intègre
comme fonctionnalités principales la configuration d’une base
matérielle existante, la capacité d’enregistrer et de charger une
configuration par défaut, l’affichage temps réel des données issues
des capteurs, le calcul de la représentation mise en forme des signaux
intégrés issus des capteurs et leurs attributions aux appareils reconnus.
Utilisant la technologie des web-services, il publie ses données
sur différents écrans distants pour que l’opérateur puisse vérifier
la conformité de l’installation. Ces données collectées sont
agrégées dans une base de données pour produire les vues des
consommateurs.
Vers de nouveaux services, mais aussi des bancs de test
Utilisant une des forces de LabVIEW - sa capacité à réaliser une
co-conception matériel/logiciel évolutive - nous intégrons dans le
temps de nouvelles capacités logicielles sur un système matériel
largement éprouvé et testé, synonyme de valeur ajoutée et de
nouveaux services au client (contrôle/commande, système
d’alerte, etc.).
« Réactif et proche de ses utilisateurs, le service technique
de NI nous a permis de construire une base évolutive pour
d’autres produits. »
préalablement sous LabVIEW, compilée et exécutée sur PC
portable dans le cas de l’utilisation du NI CompactDAQ, peut
aussi être intégrée sur une plate-forme RIO bénéficiant d’un
FPGA et d’un processeur.
Une méthodologie évolutive vers le temps réel
L’architecture fonctionnelle de nos produits est présentée par la
Figure 3. Les signaux issus de capteurs non intrusifs (1) (tension
300 Vrms ; courant 5000 Arms) sont conditionnés, acquis et
numérisés grâce aux cartes de la Série C (NI 9225, NI 9239,
NI 9205, etc.), communes aux plates-formes NI CompactDAQ
et RIO. Nous appuyant sur une méthodologie évolutive vers le
Enfin, l’utilisation de LabVIEW et de sa
seconde force - sa capacité de création de
banc de test - nous permettra aussi de
créer des tests automatisés en production
de nos produits afin de qualifier le matériel,
d’identifier les pannes et de stresser le matériel avant un
déploiement chez le client final.
Benjamin NICOLLE
QUALISTEO
300, route des Crêtes
06560 Sophia Antipolis
Tél. : +33 (0)4 22 13 03 82
Web : www.qualisteo.com
ni.com/france
27
Banc d’endurance pour boîtes de vitesses
automatiques de véhicule électrique
Par Julien COUTEL, Société de Transmissions Automatiques (STA), Groupe RENAULT
L’objectif :
La soLution :
Transformer un banc d’essai de boîtes de vitesses automatiques
avec moteur thermique en banc d’essai d’organe de véhicules
électriques dans un environnement économique extrêmement
contraint avec un délai très court.
Intégrer un système SCXI d’acquisition et de génération de
signaux couplé à un PC portable, et développer une application
sous NI LabVIEW permettant d’interfacer le pilotage du banc
thermique avec le moteur électrique.
La STA, située au cœur de la région Nord Pas-de-Calais, est
spécialisée dans la fabrication de Boîtes de Vitesses Automatiques
(BVA) depuis 40 ans. Elle dispose d’une entité de Recherche et
Développement sur site, sous la direction de Renault qui accompagne
la Fabrication et qui prépare l’avenir en adaptant les moyens d’essai
aux technologies futures.
À partir d’un banc thermique existant
Pupitre de commande du banc VRAM GMPe
Dans le cadre des essais de validation des boîtes de vitesses
automatiques, la STA dispose d’un banc d’endurance à moteur
thermique. Celui-ci intègre un simulateur de loi de route qui
génère une charge par le biais d’un frein à courant de Foucault
et un automate qui permet de réaliser différents cycles de roulage
(ville, route, autoroute…).
Banc avec moteur électrique
L’objectif du projet est de transformer ce banc d’essai pour être
capable de tester des organes de véhicule électrique. En plus
de la mise en place d’un moteur électrique du commerce, il faut
adapter les consignes de l’automate, habituellement destinées
au moteur thermique, pour variateur du moteur électrique. Le banc
doit permettre de reproduire les performances des moteurs qui
équiperont les véhicules électriques (Gamme Renault Z.E.). Il faut
aussi mettre en place les sécurités nécessaires engendrées par
le changement de technologie. Le petit plus : créer une interface
sympathique et ludique !
Banc avec moteur thermique
28 ni.com/france
L’adaptation des consignes émanant de l’automate consiste
à transformer des signaux de type échelons en rampe pour le
moteur électrique par le biais d’un châssis SCXI équipé d’un
module d’acquisition de données SCXI-1600 relié au PC par liaison
USB, d’un module SCXI-1120D pour le conditionnement des
signaux de mesure et d’un module SCXI-1124 pour la génération
des consignes (configuration typique utilisée sur les moyens).
Les nouvelles sécurités mises en place sont traitées dans un
sous-programme avec une représentation de type « Grafcet ».
Quand un défaut est détecté, l’application met à zéro les
consignes de courant et de vitesse de façon à arrêter le moteur.
L’automate reçoit aussi une demande d’arrêt de cycle. L’utilisation
de ce type de structure, très visuelle, a permis l’intégration rapide
de sécurités qui n’étaient pas au cahier des charges.
Interface homme-machine de pilotage du banc
Un fonctionnement par cartographie
Afin de pouvoir générer différentes accélérations et décélérations,
il a fallu mettre en place une cartographie paramétrable qui, en
Diagramme LabVIEW du Grafcet de sécurité
« La souplesse du système a permis d’optimiser rapidement
certains points de fonctionnement non pris en compte dans
le développement initial. »
fonction de l’amplitude des échelons et de la valeur finale (ce
qui correspond à une action sur la pédale d’accélération), donne
l’incrément de tension adapté entre chaque mise à jour de
consigne de vitesse. Une seconde cartographie paramétrable
assure une limitation de courant en temps réel, et donc en couple,
en fonction de la vitesse de rotation du moteur pour reproduire
le moteur simulé. Au final, ce fonctionnement par cartographie
permet de simuler un large éventail de véhicules électriques.
Une modernisation rapide
et économique
La modernisation d’un banc d’essai vers
les technologies nouvelles pour des coûts
réduits et délais courts a été rendue
possible par LabVIEW. La souplesse du
système a aussi permis d’optimiser rapidement certains points de
fonctionnement non pris en compte dans le développement initial.
Julien COUTEL
Société de Transmissions Automatiques (STA)
Z.I de Ruitz
Route d’Auchin
62620 Ruitz
Tél. : +33 (0)1 76 89 44 66
Web : www.renault.com/fr/groupe/developpement-durable/
fiches-sites/pages/ruitz.aspx
Interface homme-machine du Grafcet de sécurité
ni.com/france
29
Synervia analyse et compare les performances
des panneaux photovoltaïques en conditions
réelles d’exploitation
Par Yannick DAUBELCOUR et Sylvain LE BRAS, SYNERVIA
L’objectif :
La soLution :
Déterminer avec précision la puissance délivrée par un
panneau photovoltaïque en conditions réelles d’éclairement
et de température. Dans un deuxième temps, comparer
simultanément les caractéristiques de plusieurs panneaux
photovoltaïques.
Interfacer un boîtier d’entrées/sorties USB National Instruments
avec une carte électronique de puissance développée par nos
services. Développer sous NI LabVIEW une application pour
automatiser le processus de comparaison et fournir une synthèse
des performances de chaque panneau.
Les services Énergie et Électronique Embarquée de SYNERVIA
collaborent avec des PME pour l’intégration d’électronique dans
leurs produits. Le développement de systèmes d’alimentation basés
sur le photovoltaïque représente une part croissante de notre activité.
Les caractéristiques « technico-commerciales », bien souvent
incomplètes, ont provoqué des problèmes de dimensionnement
chez les intégrateurs et utilisateurs de systèmes autonomes. Cela
a engendré de nombreuses déceptions.
La majorité des problèmes de dimensionnement
ont pour origine la même constatation
La puissance des panneaux photovoltaïques est donnée dans
des conditions de test quasiment impossibles à reproduire
en dehors d’un laboratoire. L’opération dite de « flashage »
est coûteuse et donne des résultats peu représentatifs,
notamment pour les applications où l’autonomie énergétique
est le critère prépondérant.
Quatre panneaux de technologies différentes
Au cours des cinq dernières années, les technologies des
panneaux photovoltaïques se sont multipliées.
Ces derniers temps, l’arrivée de nouvelles technologies (CIGS,
Tamdem, Hybride, Amorphe) a complexifié le processus de choix.
Nous devions répondre à une question récurrente :
« Quelle quantité d’énergie va produire mon panneau dans
des conditions réelles ? » et pour cela, nous avions besoin
d’un système de caractérisation.
Pour ce banc de caractérisation, nos services ont développé en
quelques jours une carte de puissance permettant d’interfacer
les panneaux photovoltaïques avec le module NI USB-6218.
Le cahier des charges pour la chaîne d’acquisition LabVIEW
était simple :
■■
sélectionner la voie d’acquisition (1 à 4)
■■
piloter une consigne de courant
■■
■■
30 ni.com/france
récupérer la tension issue d’un capteur d’ensoleillement
(10 mV pleine échelle)
■■
rapatrier les données sur PC
■■
afficher les courbes et indiquer les puissances
■■
PCB de la carte de puissance interfacée avec le boîtier NI USB-6218
récupérer la tension du panneau photovoltaïque en fonction
du courant de consigne
sauvegarder les données dans un fichier pour une
exploitation statistique.
La partie logicielle a été développée en quelques heures par un
de nos ingénieurs ayant participé aux sessions de formations
proposées par NI.
La souplesse de la programmation graphique de LabVIEW nous a
permis de valider fonction par fonction le système et nous permet
aujourd’hui d’ajouter facilement d’autres fonctionnalités.
Voyants, curseurs, zone de graphique... En quelques heures,
la bibliothèque d’éléments d’interface utilisateur fournie par
NI permet d’obtenir une application opérationnelle et esthétique.
Synoptique de l’application LabVIEW, vue depuis l’environnement
de développement
Rapidité de développement, flexibilité
et précision garanties
Habitués au développement de cartes électroniques et de logiciels
embarqués, nous avons considéré que la « solution NI » permettait
un développement plus rapide et plus adapté à un équipement
de laboratoire.
Dans les premières versions du logiciel, la plupart des traitements
mathématiques étaient réalisés dans des logiciels tiers (tableur,
logiciel de mathématiques). Au fil des versions, nous avons regroupé
les fonctionnalités directement dans notre logiciel. Cela nous
permet de disposer de résultats durant la campagne de mesure,
et non à la fin de celle-ci.
Perspectives à court terme
Pour répondre aux demandes de nos clients, le système va
évoluer dans un avenir très proche. La puissance maximale
des panneaux solaires va passer de 150 Watts à plusieurs
kilowatts afin de pouvoir tester des installations photovoltaïques
de taille industrielle.
« La souplesse de la programmation graphique de LabVIEW
nous a permis de valider fonction par fonction le système
et nous permet aujourd’hui d’ajouter facilement
d’autres fonctionnalités. »
La flexibilité du module NI USB-6218 nous a permis, sur un
même boîtier, de faire cohabiter des acquisitions de tensions
analogiques « + ou – 10 Volts » avec des mesures de tensions
de quelques µV (micro-volts) et des entrées/sorties TOR sans
électronique supplémentaire ! Pas besoin d’amplificateur
d’instrumentation, ni d’alimentation faible bruit, tout est dans
le boîtier National Instruments.
Une bonne surprise est venue de la précision des acquisitions
des tensions, notre multimètre de table 6 digits était toujours en
accord avec les valeurs mesurées par le NI USB-6218. Cela nous
a permis d’obtenir des mesures précises à plus ou moins 1 %.
En plus de cette augmentation de puissance,
nous réfléchissons également au passage
à une solution d’acquisition déportée sur
Ethernet, au moyen par exemple d’un boîtier
NI cDAQ-9188.
Perspectives à moyen terme
Nous allons étendre cette analyse à d’autres technologies
de production d’énergie.
Sylvain LEBRAS
SYNERVIA
C/O ESB - Rue Christian Pauc - La Chantrerie
44306 Nantes Cedex 3
Tél. : +33 (0)2 40 68 30 32
Web : www.synervia.fr
Face-avant LabVIEW du système de caractérisation/comparaison
ni.com/france
31
Utilisation d’une carte FPGA pour des applications
biochimiques de criblage à haut débit
Par Christian RICK, ISIS - CNRS
L’objectif :
La soLution :
Développer un outil qui permet la recherche de nouvelles
molécules actives pour l'industrie pharmaceutique ou l'évolution
dirigée de micro-organismes ou de molécules biologiques.
Utiliser une carte FPGA pour caractériser une population de
variants jusqu'à une vitesse de 10 000 échantillons par seconde.
Les techniques classiques de biologie moléculaire et cellulaire
impliquent de travailler avec des échantillons contenant plusieurs
millions de cellules ou de molécules.
La station microfluidique : un outil pour
changer d'échelle
Il s'agit de passer d'un échantillon de plusieurs millions de cellules
à plusieurs millions d'échantillons contenant une seule cellule.
Cette transition nécessite à la fois la
miniaturisation et l'automatisation des
souvent
différents processus.
« L'intégration matériel/logiciel est le plus
presque immédiate de sorte que quelques semaines
de développement suffisent pour adapter les solutions
déjà existantes à de nouveaux besoins. »
Une autre approche est nécessaire pour pouvoir manipuler une
par une plusieurs millions de cellules ou de molécules.
La solution technique que nous avons
retenue est de compartimenter l'échantillon
en créant une émulsion, c'est-à-dire des
gouttes d'eau dans l'huile. Ces gouttes sont ensuite manipulées
comme des tubes dans les approches classiques.
L'utilisation d'un dispositif de microfluidique permet de réaliser
des émulsions hautement monodisperses.
Lors d’une expérience de sélection, les gouttes passent l'une après
l'autre devant l'objectif du microscope et sont caractérisées par
une mesure de fluorescence. Des photomultiplicateurs sont
connectés à une carte d’acquisition de données PCI-7831R
intégrant un FPGA qui va associer le passage d'une goutte à
une intensité lumineuse supérieure à une valeur seuil définie par
l'utilisateur. Elle trie ensuite de façon autonome les gouttes qui
satisfont aux critères qu'on lui a donnés.
La stratégie de compartimentalisation in vitro permet d'isoler des
molécules et de détecter leurs différences.
32 ni.com/france
Une architecture simple, souple, robuste et évolutive
L'analyse et le traitement des données sont réalisés en temps réel
par la carte FPGA placée sous le contrôle d'une interface NI LabVIEW.
Ce qui garantit le déterminisme et la vitesse d'exécution.
L'intégration matériel/logiciel est le plus souvent presque immédiate
de sorte que quelques semaines de développement suffisent
généralement pour adapter les solutions déjà existantes à de
nouveaux besoins.
Des bénéfices immédiats
Réduire d'un facteur mille la taille des échantillons correspond à
diviser leur volume par un milliard (et avec le volume, le coût des
réactifs utilisés.)
Les gouttes passent l'une après l'autre devant l'objectif du
microscope et sont caractérisées par une mesure de fluorescence.
Des photomultiplicateurs sont connectés à une carte FPGA qui va
associer le passage d'une goutte à une intensité lumineuse supérieure
à une valeur seuil définie par l'utilisateur. Elle trie ensuite de façon
autonome les gouttes qui satisfont aux critères qu'on lui a donnés.
Références :
pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2009/LC/b902504a
pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2011/LC/C1lc20128j
La carte FPGA est placée sous le contrôle d'un programme
LabVIEW. L'utilisation des couleurs constitue un vrai plus au
niveau du confort d'utilisation.
De plus, ce type de méthode permet d'accéder à des
événements rares et peut donc être utile dans le dépistage
précoce de certains cancers ou la détection de pathogènes
présents en très faible nombre.
Christian RICK
Laboratoire de Biologie Chimique (LBC)
Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires (ISIS)
8, allée Gaspard Monge
67083 Strasbourg cedex
Tél. : +33 (0)3 68 85 51 66
Web : www-isis.u-strasbg.fr/lbc
Par ailleurs, cette technique permet de sélectionner des microorganismes ou même de simples molécules, un peu comme
on le ferait pour un animal ou une plante.
ni.com/france
33
Création d’un dispositif interactif pour (re)découvrir
le plaisir d’écrire
Par Yvonne N. DELEVOYE-TURRELL, Unité de Recherche En sciences Cognitives et Affectives (URECA), Université Lille Nord de France
L’objectif :
La soLution :
Faire qu’une personne apprécie l’exercice d’écrire en l’aidant à
utiliser une bonne posture, notamment une prise légère et souple
du stylo pendant l’écriture manuscrite d’un texte. Renforcer le
plaisir d’écrire en rendant l’environnement interactif et agréable.
Rendre le stylo interactif en y rajoutant des capteurs de force.
La création d’une application NI LabVIEW a permis de recueillir,
conditionner et analyser les données analogiques venant du
stylo en temps réel, pour émettre un renforcement positif à
l’instant précis où les forces utilisées sont optimales. Créer
des exécutables pour démultiplier le dispositif interactif et ainsi
transposer la plate-forme directement sur le terrain et tester le
concept sur différentes populations (enfants, personnes âgées).
intervalle de temps prédéfini (de 500 à 1500 ms en fonction de la
Avec l’arrivée du multimédia, le temps passé à écrire sur papier
vitesse de l’écriture) ; (3) émettre un signal de renforcement si les
diminue drastiquement tant chez l’adulte que chez l’enfant. Or, de
contraintes de fluidité et d’efficacité sont respectées.
nombreuses études scientifiques ont révélé l’importance de la
production manuscrite pour le
développement d’une bonne
« LabVIEW nous permet de concevoir un logiciel convivial et
compréhension écrite et orale, et surtout
fiable, avec un temps de calculs suffisamment rapide pour
pour l’acquisition de la capacité à bien
offrir une expérience véritablement interactive. »
structurer et formuler sa pensée.
L’innovation
Un exécutable LabVIEW fiable et portable
L’idée a été de transformer un simple stylo en un produit interactif
pour donner l’envie de découvrir l’outil scripteur. Se faisant, l’individu
écrit et apprend que lorsqu’il utilise une bonne position corporelle
ainsi qu’une prise relâchée et souple, l’action d’écrire peut être
agréable : elle est moins fatigante et plus fluide. Rapidement, la
qualité même de l’écriture est améliorée.
Grâce à la qualité (fiabilité, stabilité, rapidité) de l’environnement
LabVIEW, toute la chaîne est automatisée. Un renforcement en
temps réel est possible avec un délai des boucles de calculs assez
bref (<20 ms) offrant à l’apprenant une réelle expérience d’interactivité.
Un système portable et transposable aux
professionnels de terrain
Avec la possibilité de créer des exécutables du logiciel, nous
avons pu démultiplier le logiciel et créer plusieurs plates-formes
interactives pour tester des échantillons de sujets en parallèle.
Grâce à une interface graphique et colorée, le logiciel est convivial
permettant une prise en main facile et rapide par des personnes
parfois peu familières avec l’outil informatique. Les professionnels
ont apprécié deux aspects en particulier :
■■
Mesurer les forces appliquées sur un stylo pour détecter l’utilisation
d’une force trop importante, source de fatigue et de crampes
musculaires. Une bonne posture est récompensée par l’émission
d’un extrait musical agréable.
Une solution simple et peu coûteuse
Une solution peu coûteuse était importante pour que le projet
puisse être transféré sur le terrain, en milieu scolaire (enfants)
et clinique (personnes âgées). Ainsi, la solution choisie a été
d’appareiller le scripteur de capteurs de pression peu onéreux.
Via un boîtier USB-6008 faible coût, un programme LabVIEW
a été développé pour (1) collecter, filtrer et analyser les données
de force ; (2) caractériser le geste de l’apprenant dans un certain
34 ni.com/france
■■
de par la mesure d’indices de force, le dispositif permet de
révéler des problèmes de rigidité musculaire chez l’apprenant
qui sont difficilement repérables à l’œil nu
avec la présence de contrôleur sur la face-avant, il est possible
de modifier les critères de renforcement en début de séance en
fonction des compétences cognitives (fatigabilité) et motrices
(rapidité d’écriture) du sujet.
Des études pilotes concluantes
Les participants qui ont pu bénéficier de ce dispositif interactif
ont rapporté un plaisir plus grand à écrire. Concentrées sur
une période de temps plus longue, ces personnes ont utilisé
en moyenne des forces d’appui plus faibles qu’en absence
de renforcements. L’amélioration de la qualité de l’écriture
a également pu être objectivée.
Diagramme du cycle de renforcement mis en place pour
récompenser l’individu
L‘évolution aujourd’hui sera d’adapter notre dispositif interactif
aux nouvelles générations de tablette. En effet, la difficulté
d’utiliser une belle écriture manuscrite, fluide et souple, est
amplifiée par l’offre de stylets peu ergonomiques.
Yvonne N. DELEVOYE-TURRELL
Laboratoire URECA
Université Lille Nord de France
Domaine universitaire du Pont de Bois
BP 149
59653 Villeneuve d’Ascq Cedex
Tél. : +33 (0)3 20 41 64 70
Fax : +33 (0)3 20 41 64 42
Web : ureca.recherche.univ-lille3.fr
ni.com/france
35
Suivi de la pression dans les anévrismes de l’aorte
abdominale traités par Stent
Par Pr. Olivier ROMAIN, Professeur, ETIS – UMR8051, site ENSEA Université de Cergy-Pontoise
Pr. Patrick GARDA, Professeur, LIP6 – UMR7606, Université Pierre et Marie Curie
Pr. Pascal LEPRINCE, Chirurgien, Institut de Cardiologie, Groupe Hospitalier Pitié-Salpêtrière
BIONICOM SAS
L’objectif :
La soLution :
Développer un banc in vitro dédié au suivi des anévrismes
abdominaux de l’aorte traités par un Stent et intégrant un
capteur de pression biocompatible.
Développer et recréer physiologiquement la pathologie en
s’appuyant sur un modèle en silicone au caoutchouc d’un
anévrisme qui est alimenté en circuit fermé par un cœur artificiel.
Plusieurs capteurs de pression sont connectés à une carte
PCI-6110 et une interface NI LabVIEW permet de visualiser
les profils de pressions.
Les maladies cardiovasculaires représentent environ un tiers
des décès en France et demeurent l’une des premières causes
de mortalité dans le monde. Trois millions de personnes sont
touchées par les Anévrismes de l’Aorte Abdominale et cette
maladie représente la troisième cause de mortalité chez l’homme
de plus de 60 ans. Dans 80 % des cas, la rupture d’un anévrisme
de l’aorte abdominale entraîne le décès du patient. On estime
d’une part que 50 % des patients présentant les anévrismes
aortiques abdominaux rompus meurent avant d’atteindre l’hôpital,
et d’autre part que 40 % des patients arrivant à l’hôpital meurent
avant d’entrer en chirurgie. De plus, la mortalité opératoire des
anévrismes rompus reste élevée, proche de 50 %. Ceci montre
l’intérêt de traiter ces anévrismes précocement, avant leur rupture.
Synoptique du banc in vitro d’un AAA
chez les patients présentant un risque chirurgical élevé : patients
âgés ou ayant une pathologie cardiaque ou pulmonaire associée,
ou encore patients déjà opérés de l’abdomen. Les inconvénients
de ce traitement résident dans le fait que la prothèse n’est pas
toujours parfaitement étanche et qu’il peut persister une fuite de
sang entre cette prothèse et la paroi aortique. De ce fait, la poche
anévrismale reste sous pression et le risque de rupture persiste.
Pour détecter l’existence de fuites, le patient subit des examens
d’imagerie répétés. Surveiller la pression dans la poche anévrismale
par un système électronique télé-alimenté et implanté représente
un véritable enjeu sur le plan médical.
Système de pression ENDOCOM
Traitement efficace des AAA
Plusieurs méthodes sont actuellement disponibles pour traiter
les AAA. La chirurgie dite endovasculaire consiste à introduire par
une artère périphérique (fémorale) un Stent couvert qui va être
déployé dans la poche anévrismale afin d’exclure l’anévrisme de la
circulation. L’intérêt de ce traitement réside dans le caractère peu
invasif de l’abord chirurgical, ainsi que dans l’absence de clampage
aortique. De ce fait, ce traitement est particulièrement indiqué
36 ni.com/france
Chaîne d’acquisition
Les mesures ont été faites avec un liquide de perfusion constitué
d’un mélange glycérol/eau dont la viscosité est similaire à celle du
sang, avec des débits et des fréquences cardiaques typiques. Afin
de pouvoir étudier le comportement de la répartition de pression
dans l’AAA exclu, en présence ou non de fuites, des capteurs de
pression de type MPX2300AP sont positionnés dans la paroi de
l’AAA. En effet, si l’on considère un champ de pression inhomogène
au sein d’un anévrisme, en présence de thrombus et de fuite,
alors une disposition spatiale non optimisée peut amener à une
mauvaise évaluation de la pression.
Une carte DAQ multifonction bientôt avec un FPGA
Pression dans l’AAA exclu en présence d’une fuite de type II
La chaîne d’acquisition des signaux de mesure et leur traitement
comportent une carte de mise en forme des signaux (amplification
et filtrage), l’échantillonnage par une carte d’acquisition PCI-6143
de National Instruments et un traitement sous l’environnement
LabVIEW. Nous avons fait le choix de cette carte car elle permet
l’acquisition simultanée sur plusieurs voies. Actuellement, nous
développons une nouvelle solution à base de la carte FPGA
PCI-7813R pour augmenter le nombre d’acquisitions en parallèle.
Vers davantage de réalisme
« Actuellement, nous développons une nouvelle solution à
Le banc in vitro qui a été instrumenté permet
base de la carte FPGA PCI-7813R pour augmenter le nombre d’étudier la répartition de la pression au sein
d’acquisitions en parallèle. »
d’un AAA traité par Stent. Dans un avenir
Conception d’un système de mesure et de pression
Sur la base de cette problématique, le projet ENDOCOM a pour
objectif de concevoir un système de mesure, ainsi que les moyens
expérimentaux de validation. Un banc in vitro aux dimensions
physiologiques a été développé à cet effet. Il repose sur le
développement d’un circuit pulsatile fermé articulé autour d’un
réservoir et d’une compliance réglable, faisant respectivement
office de post et de précharge sanguine, et d’un modèle reconstitué
d’anévrisme. Le modèle d’AAA est en caoutchouc au silicone et
comporte deux entrées/sorties supplémentaires pour la simulation
des endofuites de type II. Le modèle d’anévrisme repose dans
un aquarium plein d’eau afin de recréer artificiellement la pression
intra-abdominale. Un ventricule artificiel de type Thoratec (utilisé
en chirurgie cardiaque) muni de son interface de gestion pulsatile
permet de simuler le flux aortique dans les mêmes conditions que
celles utilisées en milieu hospitalier.
proche, les mesures seront effectuées
avec du sang afin de constituer un thrombus au sein de la poche
anévrismale. Ainsi la répartition du champ de pression dans le cas
d’endofuites (de type I, II ou IV) et le retentissement de celui-ci
sur le phénomène d’endotension pourront être étudiés.
Pr. Olivier ROMAIN
ETIS-UMR8051, site ENSEA
6, rue du Ponceau
95000 Cergy-Pontoise Cedex
Tél. : +33 (0)6 23 17 57 15
Web : www.endocom.upmc.fr
ni.com/france
37
Déploiement d’un système anti-erreur dans le
montage des appareils de climatisation de VALEO
Par Laurence GUERITTOT, Attachée marketing & communication, ALLIANCE VISION
Frédéric SARRAUTE, Ingénieur Industrialisation, VALEO Systèmes thermiques
L’objectif :
La soLution :
Mettre en place un détrompeur (système anti-erreur ou
Poka-Yoke) pour une ligne d’assemblage d’appareils de
climatisation automobiles.
Installer un poste de contrôle par vision validant le montage de
l’opérateur et, dans le cas contraire, lui indiquant les éléments à
rectifier. Poste composé de deux caméras reliées à un système
NI CVS-1454 et piloté par le logiciel NI Vision Builder for
Automated Inspection.
L’application qui nous intéresse ici a été développée et mise en
œuvre par M. Sarraute, au département Méthodes Industrialisation
de l’usine de production VALEO Systèmes thermiques à Nogentle-Rotrou.
Les contraintes sont multiples. La vision en ligne doit fonctionner
en environnement ambiant, ce qui induit de multiples éléments
perturbateurs (absence de carter de protection, changement de
luminosité du lieu, passage de l’opérateur derrière le poste de
contrôle…). Et le système doit s’adapter
à la hauteur variable du chariot (ou luge) sur
CVS,
lequel est posé l’appareil de climatisation.
« Le choix s’est porté sur un automate de vision
système déporté et entièrement autonome, pour un
échange minimum avec le reste de l’installation. »
Le Pôle Systèmes Thermiques est composé de quatre groupes de
produits : Thermique habitacle, Systèmes Thermiques du Groupe
Motopropulseur, Compresseurs et Modules face-avant. Les
technologies développées par ce pôle contribuent au confort dans
l’habitacle, quelle que soit la température extérieure, et à la réduction
de la consommation d’énergie.
La collaboration entre VALEO et ALLIANCE VISION (partenaire
agréé National Instruments) s’établit depuis près de sept ans pour
la fourniture de matériels de vision (caméras, optiques, éclairages…)
et de prestations de services (expertise vision, développement
sous NI LabVIEW, aide à la mise en œuvre…). Concernant cette
application, ALLIANCE VISION a été choisi notamment pour le
coût réduit de la solution proposée, et pour ses compétences
en matière de développement sous LabVIEW. L’entreprise est
intervenue en expertise vision en amont du projet, puis en appui
sur site pour la définition et le paramétrage du système de vision.
Cette application est complétée par un
contrôle fonctionnel
des appareils en fin de ligne grâce à trois bancs de test montés
en parallèle et associant les solutions NI TestStand et Vision
Builder AI (détaillé dans l'article page 40).
NI CVS, choisi pour son fonctionnement autonome
Le poste de contrôle est composé de deux caméras avec filtre
infrarouge (IR), d’un éclairage annulaire IR, d’un éclairage linéaire
IR, et d’un système NI CVS-1454 géré avec le logiciel Vision
Builder AI.
La première caméra vérifie la présence et le bon positionnement
du joint. La seconde caméra inspecte la présence ou non de
différents éléments (biellette…).
Objectif zéro défaut
Les tests des appareils de climatisation étaient effectués au préalable
à l’aide de masques équipés de capteurs. La solution était lourde
à gérer, peu fiable, et nécessitait une main d’œuvre importante.
VALEO a donc décidé d’optimiser ces tests et d’accroître la
productivité de sa ligne en mettant en place un nouveau système
de contrôle par vision.
Il s’agit d’un détrompeur (ou système anti-erreur) situé sur la ligne
d’assemblage afin de guider l’opérateur dans le montage des
différents composants. Grâce à un écran, le système indique à
l’opérateur les éventuels éléments non conformes ou manquants.
Sans correction, le système empêche le montage de passer à
l’étape suivante et répond ainsi à un objectif de zéro défaut.
38 ni.com/france
Appareil de climatisation à contrôler
Le choix s’est porté sur un automate de vision NI CVS, système
déporté et entièrement autonome, pour un échange minimum
avec le reste de l’installation. La communication avec la ligne
d’assemblage s’établit pour le résultat du test et le changement
de référence.
La luge supportant l’appareil de climatisation est prévue pour
se bloquer lors du passage sous le poste de contrôle grâce à
une butée au sol.
Un système qui s’adapte à la taille de l’opérateur
Considérant l’adaptabilité de la luge à la taille de l’opérateur, la
mise au point fixe des caméras posait des problèmes de netteté
avec une incidence sur l’échelle et sur la perspective de la pièce.
Ces éléments ont tous été solutionnés sous Vision Builder AI
grâce aux types de paramétrages choisis.
Un plugin sous LabVIEW, déjà développé pour le contrôle fonctionnel
en fin de ligne, a été réutilisé dans cette application. Il indique la
liste des erreurs à rectifier et minimise ainsi les pertes de temps
de l’opérateur dans sa recherche.
La 2ème caméra inspecte la présence ou non de différents éléments
(biellette, etc.).
De plus, il a permis à l’opérateur de ne pas être gêné dans son
travail puisque l’éclairage n’est pas visible par celui-ci. Les caméras
sont utilisées en mode flash et sont synchronisées avec les éclairages
IR pour limiter l’exposition de l’opérateur aux rayons infrarouges.
ALLIANCE VISION a pris en charge le paramétrage de l’application
sous Vision Builder AI, mais VALEO possède toutes les compétences
nécessaires en interne pour maintenir et faire évoluer le système
de manière autonome.
Une solution performante et évolutive
Grâce à ce système de vision sur ligne, VALEO a gagné en
ergonomie, répétabilité, temps de contrôle, et coût : 50 %
de gain d’investissement et 80 % de gain de main d’œuvre.
Un des grands intérêts de la solution était la simplicité de mise
en place sur la ligne existante (absence de carter…).
VALEO envisage maintenant de dupliquer la vision sur ligne
à d’autres lignes de production.
La 1ère caméra vérifie la présence et le bon positionnement
du joint de contour.
Une vision infrarouge pour davantage d’efficacité
et de confort
Le fait d’opter pour une solution IR a permis d’occulter tous les
éclairages parasites (tube fluorescent de l’atelier et lumière du jour).
Laurence GUERITTOT
ALLIANCE VISION
7, avenue du Meyrol
26200 Montélimar
Tél. : +33 (0)4 75 53 14 00
Web : www.alliancevision.com
ni.com/france
39
Contrôle des appareils de climatisation
de VALEO en fin de ligne d’assemblage
Par Laurence GUERITTOT, Attachée marketing & communication, ALLIANCE VISION
Frédéric SARRAUTE, Ingénieur Industrialisation, VALEO Systèmes Thermiques
L’objectif :
La soLution :
Effectuer un contrôle fonctionnel à 100 % d’appareils de
climatisation automobiles en fin de ligne d’assemblage.
Mettre en œuvre trois bancs de tests montés en parallèle et
associant les solutions NI TestStand et NI Vision Builder for
Automated Inspection.
L’application qui nous intéresse ici a été développée et mise en
œuvre par M. Sarraute, au département Méthodes Industrialisation
de l’usine de production VALEO Systèmes Thermiques à Nogentle-Rotrou.
Objectif zéro défaut
Le Pôle Systèmes Thermiques est composé de quatre groupes de
produits : Thermique habitacle, Systèmes Thermiques du Groupe
Motopropulseur, Compresseurs et Modules face-avant. Les
technologies développées par ce pôle contribuent au confort
dans l’habitacle, quelle que soit la température extérieure, et
à la réduction de la consommation d’énergie.
Les tests des appareils de climatisation étaient effectués au préalable
à l’aide de masques équipés de capteurs afin de détecter la présence
de composants, valider les versions, s'assurer du fonctionnement
des cinématiques, en cours de montage et en fin de ligne, pour
un contrôle complet de l'appareil de climatisation. La solution était
lourde à gérer, peu fiable, et nécessitait une main d’œuvre importante.
La collaboration entre VALEO et ALLIANCE VISION (partenaire
agréé National Instruments) s’établit depuis près de sept ans
pour la fourniture de matériels de vision (caméras, optiques,
éclairages…) et de prestations de services (expertise vision,
développement sous NI LabVIEW, aide à la mise en œuvre…).
Concernant cette application, ALLIANCE VISION a été choisi
notamment pour le coût réduit de la solution proposée, et pour
ses compétences en matière de développement sous LabVIEW.
L’entreprise est intervenue en expertise vision en amont du projet,
puis en appui sur site pour la définition et le paramétrage du
système de vision.
Schéma de configuration des bancs de tests qui sont intégrés
au système global de gestion de ligne, et pilotés par NI TestStand
et FireWire
VALEO a donc décidé d’optimiser ces tests et d’accroître la
productivité de sa ligne en mettant en place deux nouveaux
systèmes de contrôle par vision.
Le premier est un détrompeur (système anti-erreur) situé sur la
ligne d’assemblage. Cette application, non détaillée ici, fait l’objet
d’un autre article (page 38).
Contrôle à 100 % en fin de ligne par trois bancs de tests fonctionnels
montés en parallèle pour répondre à la cadence de la chaîne
d’assemblage (fonctions vision, acoustique et vibratoire)
40 ni.com/france
Les pièces sont ensuite contrôlées à 100 % par différents tests
fonctionnels en fin de ligne. L’objectif est d’inspecter l'appareil
dans ses différents modes de températures et de distribution
d'air, en s'assurant de son bon positionnement en mode d'écoute
pendant le test, puis en mode de livraison. On vérifie :
■■
le bon débattement et la cinématique des volets
■■
la consommation du groupe moto-ventilateur
■■
l'acoustique
■■
la réponse en vibration à certaines vitesses critiques.
Le contrôle doit être multi-versions et doit s’enchaîner rapidement
sans ralentir la production d’environ 60 pièces par heure.
la récupération des données (avec les résultats et le nom des
étapes en erreur) et l’activation du mode capabilité.
La fonction vision doit permettre de contrôler le débattement
et la cinématique des volets, et la position de l'appareil dans ses
différents modes (test/livraison). Les autres fonctions (acoustique
et vibratoire) sont intégrées dans le même banc de tests et sont
gérées avec les mêmes outils logiciels. Elles ne seront pas
détaillées ici.
Deux plugins ont été développés sous LabVIEW pour lister les
étapes en erreur et permettre le mode capabilité.
Le module capabilité répond à un objectif de maîtrise statistique
des procédés (MSP). Il permet d'enregistrer le nom des pas, les
valeurs mesurées dans les différents « states » (ou états) utilisés
lors de l'inspection, ainsi que les valeurs des seuils appliqués.
« L’évolutivité des matériels et des plates-formes de
développement choisis, ainsi que la capacité de dialogue
des outils NI ont permis de faire évoluer l’application
pour la proposer comme un « standard » duplicable
sur d’autres applications. »
Moins d’une minute pour tester chaque climatiseur
Trois bancs de tests ont été mis en œuvre pour répondre à la
cadence de la chaîne. Ils sont montés en parallèle avec chacun,
pour la partie vision, environ 6 programmes d’inspections par
pièce qui s’enchaînent pour un temps de cycle global inférieur
à 50 secondes.
Les bancs de tests sont intégrés au système global de gestion
de ligne (voir schéma).
Chaque banc exploite quatre caméras SVS-VISTEK reliées à une
station qui gère le système global. L’interface FireWire utilisée sur
les premiers bancs de test est aujourd’hui remplacée par du GigE
pour des raisons de connectique, de longueur de câble, et de
bande passante (plus large que du IEEE1394a).
Un seul PC pour les trois bancs
Pour pouvoir utiliser les trois bancs en parallèle, chacun d’entre
eux est géré par une instance du logiciel Vision Builder AI,
elle-même pilotée par le séquenceur de tests NI TestStand. Cela
simplifie l’installation et réduit son coût (en évitant d’avoir un PC
par banc) tout en maintenant des performances élevées.
Les données sont enregistrées en temps
réel et sont ensuite retranscrites, pour
chaque inspection, sous forme d'un fichier
au format csv. Elles sont ensuite déportées
sous des outils tiers (Excel…) pour
exploitation.
Les données ainsi enregistrées permettent notamment de s'assurer
de la validité des outils Vision Builder AI et des seuils appliqués en
réalisant une capabilité sur chaque étape.
On peut élargir l'utilisation de ce plugin en imaginant un traitement
temps réel des données afin de contrôler des dérives. De même,
on peut utiliser le plugin de remontée des paramètres et résultats
des étapes uniquement en cas de contrôle mauvais, afin d'effectuer
un Pareto des causes de relance de test ou de rejet en fin de ligne.
Une solution performante et évolutive
VALEO a gagné en répétabilité, temps de contrôle, coût et facilité
de réglage lors des évolutions. Outre l’automatisation du test
et donc le gain inhérent en main d’œuvre, la fonction vision a
considérablement allégé les solutions traditionnelles jusqu’alors
utilisées, constituées de capteurs et de cellules en tout genre.
En effet, une caméra équivaut à environ 10 capteurs.
Un des autres avantages de la solution est la possibilité de réaliser des
capabilités sur les tests effectués et d’historiser les pièces contrôlées.
Le premier banc de test fonctionnel a été implanté à l’usine de
production de Nogent-le-Rotrou, il y a neuf ans. L’évolutivité des
matériels et des plates-formes de développement choisis, ainsi
que la capacité de dialogue des outils NI ont permis de faire
évoluer l’application pour la proposer comme un « standard »
duplicable sur d’autres applications. C’est ainsi que les bancs
de contrôle Fin de Ligne sont aujourd’hui déployés sur environ
15 lignes d’assemblage basées en France et à l’étranger
(Espagne, République Tchèque...).
Appareil de climatisation à contrôler
Laurence GUERITTOT
ALLIANCE VISION
7, avenue du Meyrol
26200 Montélimar
Tél. : +33 (0)4 75 53 14 00
Web : www.alliancevision.com
Vision Builder AI et NI TestStand dialoguent via des variables
partagées pour le chargement, l’exécution des programmes,
ni.com/france
41
Profilométrie laser et NI CompactRIO
riment avec économies de peinture !
Lauréat
2011
Par Aurélien COTELLE, Formation & Développement, ARDPI
L’objectif :
La soLution :
Économiser 30 % de matière première sur une dépose de
peinture sur poutres métalliques ; centraliser l’acquisition
de données liées au fonctionnement des postes dans une
entreprise de métallurgie.
Utiliser un CompactRIO pour gérer la profilométrie des poutres
en amont et piloter les pistolets, en contrôlant précisément la
quantité de peinture à déposer sans gaspillage.
Jusqu’alors entièrement gérée par un automate ancienne génération,
la cabine de peinture posait un problème quant à la quantité de
peinture utilisée, dont une bonne partie était déposée dans le vide,
générant ainsi un surcoût non négligeable de matière première, et
une perte de temps critique pour les opérateurs qui devaient
régulièrement stopper la production et nettoyer la cabine des
couches accumulées.
En effet, le chariot de peinture, en va-et-vient continu, était
équipé d’un simple capteur inductif pour détecter la présence
de poutres sur le convoyeur. L’automate activait alors les pistolets
sur toute la largeur, peu importe le nombre de poutres et leurs
caractéristiques dimensionnelles.
Maîtriser la quantité de peinture utilisée grâce
à la profilométrie
Pour pallier ce problème, l’équipe de développement d’ARDPI a
émis l’idée de « scanner » les poutres en amont, afin de connaître
précisément leur profil et de déclencher plus finement l’ouverture
des pistolets, et ne déposer que la quantité réellement utile de
produit en minimisant les pertes. Un système NI cRIO-9074 sera
chargé de faire l’acquisition du profil en temps réel et de piloter les
buses de peinture, en prenant en compte les différents codeurs
de position intégrés au système existant.
Le télémètre laser Micro-Epsilon fait l’acquisition du profil des poutres.
Pour cela, un télémètre laser OptoNCDT-1700 de la société
Micro-Epsilon a été retenu, au regard de sa forte valeur innovante,
puisqu’il permet de mesurer jusqu’à 2 m, avec une résolution de
10 µm, quel que soit l’état de surface de l’objet. Ce qui est
d’autant plus intéressant que les poutres à peindre peuvent varier
de la simple rugosité mate à une finition plus brillante, en sortie
de grenaillage.
Le télémètre est monté sur une potence au-dessus du convoyeur
et balaye en va-et-vient le profil des poutres. L’acquisition du profil,
au moyen d’un module NI 9201 de la Série C (module d’entrée
analogique 8 voies), met le FPGA au premier plan, puisque la
rapidité d’exécution est un des critères requis pour cette tâche.
La couche temps réel du CompactRIO traite le signal « en coupe »
et reconstitue le profil pour permettre à l’IHM du Panel PC tactile
d’afficher à l’opérateur un profil vectorisé propre.
Une transition en douceur grâce au CompactRIO
Les poutres sorties du grenaillage sont acheminées jusqu’au
convoyeur et à la cabine de peinture.
42 ni.com/france
L’efficacité de la couche temps réel a permis d’intégrer directement
les algorithmes et méthodes de peinture propres au client sur ses
produits. S’il fallait n’en citer que deux, les avantages du CompactRIO
seraient indéniablement sa compacité et ses possibilités d’extension.
En effet, un autre critère important a été de pouvoir intégrer notre
développement sans interrompre la production quasi continue.
Pour cela, le CompactRIO a été intercalé entre l’ancien automate et
EtherCAT déporté est venu se greffer au
CompactRIO pour permettre de mesurer
plusieurs paramètres environnementaux
(températures multipoints, hygrométrie,
etc.) liés au poste de dépose peinture et
un deuxième châssis EtherCAT surveille la bonne marche des
8 turbines du poste de grenaillage. Des possibilités d’extension
qui ont su séduire tant les intégrateurs que les clients.
« S’il fallait n’en citer que deux, les avantages du
CompactRIO seraient indéniablement sa compacité et ses
possibilités d’extension. »
la cabine, en utilisant deux modules d’entrées et sorties numériques
de la Série C (NI 9425, NI 9476) afin de laisser le choix à l’opérateur
d’utiliser l’ancien système (recopie des ordres numériques de
l’automate vers les sorties pistolets) ou de commuter sur le
nouveau système. Ceci a permis de développer sereinement
sans avoir de conséquences néfastes sur la production en flux
continu ni bouleverser l’architecture matérielle existante.
L’équation gagnante !
L’IHM, affichée sur un Panel PC tactile de 17 pouces et développée
sous NI LabVIEW, permet à l’opérateur de visualiser les profils
entrants, les profils en cours de peinture ainsi que les zones
d’activation des pistolets. Il est ainsi plus réactif pour diagnostiquer
les éventuelles retouches à apporter ou les paramètres d’algorithmes
à modifier. Outre les aspects opérationnels du système, l’affichage
de statistiques compare les temps d’ouverture de l’ancien et du
nouveau systèmes et revendique aujourd’hui une économie de
peinture de l’ordre de 30 %.
Le CompactRIO, cœur du système, est intégré discrètement
au coffret (en bas à gauche).
L’IHM au look « industriel » centralise toutes les informations
vers l’opérateur.
Aurélien COTELLE
ARDPI
1, rue des plantes bonjour
ZI de Selongey
21260 Selongey
Tél. : +33 (0)3 80 95 01 36
Web : www.ardpi.com
Des extensions déjà en cours
La fiabilité des technologies National Instruments mises
en œuvre lors de ce chantier a tellement convaincu que des
extensions ont d’ores et déjà trouvé leur place. Un châssis
ni.com/france
43
Système de classement haut rendement des
bois de structure sous architecture NI selon la
norme 14081
Par Maxime ROBIN, INNODURA
L’objectif :
La soLution :
Développer un système de classement des bois de structure,
innovant pour une meilleure valorisation de la qualité des bois,
et durci pour s’adapter à l’environnement sévère de la scierie.
Utiliser une plate-forme NI CompactDAQ pilotée par un logiciel
de contrôle développé sous NI LabVIEW permet de concentrer
la valeur ajoutée de la solution au niveau de l’instrumentation
multivoie et le traitement des données par focalisation acoustique.
Une directive européenne, dont l’entrée en application est
prévue le 1er septembre 2012, va imposer le marquage CE aux
professionnels de la filière bois. L’objectif de cette démarche est
double : uniformiser les marchés européens et industrialiser la
filière. La norme CE 14081 prévoit ainsi d’améliorer la traçabilité
et surtout de quantifier la qualité des bois de structure.
Dans ce contexte, les scieries devront procéder à un contrôle
mécanique des bois utilisés dans la construction et classer
les bois par catégories de résistance à la rupture. La difficulté
du classement est d’obtenir une estimation précise de cette
résistance à la rupture compte tenu du caractère hétérogène
du matériau (anisotropie, présence de nœuds et fissures...).
Le classement visuel par un opérateur s’avère laborieux et
imprécis tandis que les systèmes automatiques existants reposent
sur des méthodes sévérisées qui ne tiennent pas compte des
défauts des bois. Le résultat est un sous-classement important
de la qualité des bois.
Le système E-control embarque une centrale d’acquisition
NI CompactDAQ pour l’acquisition d’une pluralité de capteurs
afin de rendre le système complètement autonome.
La robustesse et la compacité du système permettent une
implantation durable dans l’environnement sévère de la scierie.
INNODURA (ID), jeune entreprise innovante et spécialisée en
vibro-acoustique, développe des systèmes de contrôle dans le
domaine de l’environnement et plus particulièrement la filière
bois et l’environnement sonore. Le projet de développement
d’un système de classement à haut rendement pour la filière
bois proposé par ID, a reçu un premier soutien régional en 2010 au
travers du programme INNOV’R qui favorise les éco-innovations
au sein des entreprises rhônalpines. En 2011, la DRAAF, sous
l’autorité du Ministère de l’Agriculture (Direction Régionale
de l’Alimentation, l’Agriculture, et de la Forêt) accompagne
INNODURA pour l’étude d’une intégration optimisée du système
pour les scieries.
Fort de ces soutiens, le système E-Control entièrement développé
sous architecture National Instruments ouvre la voie d’un classement
des bois à haut rendement, pour une meilleure valorisation de la
qualité des bois. Le système impacte et mesure la réponse modale
(fréquence de résonance) des pièces de bois pour déterminer
dynamiquement le module d’Young. La première innovation réside
dans l’exploitation supplémentaire du signal lié aux défauts de la
pièce de bois. Le sous-classement des bois induit par les méthodes
existantes est ainsi réduit significativement par l’implémentation
sous LabVIEW d’un nouveau process d’analyse.
Un système compact et robuste
Le système repose sur un logiciel de contrôle et d’analyse
performant développé sous LabVIEW qui communique avec
44 ni.com/france
le châssis NI CompactDAQ pour l’acquisition d’une pluralité
de capteurs afin de rendre le système complètement autonome.
L’intelligence du contrôle est embarquée sur un large écran
tactile NI TPC-2212 qui permet l’interfaçage avec l’utilisateur.
La compacité et la robustesse des composants employés
permettent un packaging durci pour une mise en œuvre simple,
rapide et durable de la « box » E-control à tout niveau de la
ligne de production. Le résultat est un système complètement
autonome qui détecte et caractérise les différents types de
planche pour un classement à la volée sans interruption de
la ligne. Ceci est un atout concurrentiel.
corrélation avec l’organisation de la R&D d’INNODURA. Le projet
basé sur les outils et produits NI a été séquencé en deux phases :
faisabilité et industrialisation. Cette organisation rigoureuse coïncide
avec l’offre NI autour des châssis NI CompactDAQ adaptés aux
travaux de R&D et l’architecture industrielle CompactRIO.
Une intégration « à la carte »
Au cœur de la box siège la centrale d’acquisition qui rassemble
sur un seul et même châssis (cDAQ-9178) des modules à
fonctionnalités diverses. La composition retenue permet
l’acquisition analogique de cellules laser sur un module
cRIO-9205, d’un réseau de six microphones et d’un capteur
d’efforts sur deux cartes cRIO-9234 et le pilotage d’un marteau
électrique à l’aide de la carte de sortie numérique NI 9474.
Inutile donc de multiplier les interfaces et les protocoles de
communication puisque toutes les données sont récupérées au
moyen d’un seul câble USB. Simplicité et efficacité garanties.
L’interface utilisateur moderne et intuitive permet le paramétrage
et le suivi du classement en temps réel.
INNODURA rentre dans la phase
d’industrialisation en vue de la normalisation
« Cela permet d’assurer une organisation solide de la
l’année prochaine. Le choix est logiquement
maintenance grâce à la modularité de la programmation
porté vers l’intégration d’un châssis
sous LabVIEW et à la robustesse éprouvée des
CompactRIO qui embarquera les fonctions
de contrôle développées sous LabVIEW.
composants matériels. »
ID se structure ainsi pour livrer plusieurs
dizaines de systèmes sous architecture NI.
Un environnement pour le développement
Cela permet d’assurer une organisation solide de la maintenance
de solutions innovantes
grâce à la modularité de la programmation sous LabVIEW et à la
L’environnement LabVIEW autorise une communication en toute
robustesse éprouvée des composants matériels.
transparence et simplicité avec le matériel. C’est l’un des points
Une évolutivité « quasi » sans limite
forts qui a conduit ID à baser le développement informatique de
Les nombreuses évolutions matérielles maintenues par NI permettent
l’application sous LabVIEW. Le gain de temps par rapport à une
une vision à long terme du produit E-control à travers l’évolutivité
implémentation C++ est conséquent. Le driver NI-DAQmx
de celui-ci. ID prévoit par exemple de nouvelles fonctionnalités
« communique avec tout » et la programmation est intuitive.
autour de la vision et de la détection des défauts du bois au moyen
Cela permet de focaliser la R&D autour du métier premier de
du driver d’acquisition NI-IMAQdx qui gère l’interfaçage entre
ID : la vibro-acoustique. À partir du Toolkit Sound and Vibration
LabVIEW et une caméra industrielle.
de LabVIEW, deux fonctionnalités innovantes fortes ont
été développées :
■■
■■
un traitement du signal avancé de la résonance de la planche
utilisant les fonctions du Toolkit Sound and Vibration permet
l’identification d’une faiblesse mécanique au centre de la pièce
de bois. Ce nouveau traitement (vib+) fait l’objet d’un premier
dépôt de brevet.
ID utilise le Toolkit Sound and Vibration de LabVIEW pour
combiner les signaux acoustiques en temps réel acquis avec
deux cartes haute résolution NI 9234. Le résultat est une
mesure acoustique focalisée de la réponse de la planche pour
s’affranchir des perturbations ambiantes de la scierie (bruits
de fond très importants).
Maxime ROBIN
INNODURA
11, avenue Albert Einstein
69100 Villeurbanne
Tél. : +33 (0)4 72 43 99 65
Mobile : +33 (0)6 77 12 79 65
Une gestion de la R&D efficace
Le projet se veut innovant de par son approche scientifique et
également à travers une intégration technologique performante.
Les moyens logiciel et matériel proposés par NI sont en parfaite
ni.com/france
45
Contrôle/commande d’un banc d’essais
turbomoteur de l’Atelier Industriel de l’Aéronautique
Par Florent DUVINAGE, Chef de projet, NÉRYS
L’objectif :
La soLution :
Rénover intégralement un banc d’essais pour turbomoteurs avec
la mise au point d’un système permettant de configurer un essai,
de l’exécuter tout en assurant la sécurité de l’installation, d’effectuer
des étalonnages et de réaliser du post-traitement de données.
Utiliser la plate-forme PXI avec un contrôleur temps réel, un PC de
configuration et un PC de supervision, avec la mise en œuvre de la
suite logicielle VASCO standard et le développement de
modules spécifiques.
Le banc d’essai numéro 4 de l’Atelier Industriel de l’Aéronautique
(AIA) de Bordeaux permet de réaliser des essais sur des
turbomoteurs, ainsi que sur un groupe auxiliaire de puissance.
Le banc ayant une quinzaine d’années, l’AIA a souhaité rénover le
système d’acquisition de données, de contrôle/commande et de
supervision, et y intégrer de nouvelles fonctionnalités. Il a, pour
cela, fait appel aux services d’ingénierie de la société NÉRYS.
suivi d’essai (sur le PC de supervision), et exploitation. Ce dernier
module permet de faire du post-traitement sur les données et
peut être utilisé sur n’importe quel PC.
Un aspect du projet qui ne sera pas développé dans cet article
consistait en la réalisation et la supervision des travaux mécanique
et électrotechnique : pupitre, armoire électrique, baie de mesure.
Ce projet représente au total environ 4000 heures de travail.
La compréhension des gammes d’essais turbomoteurs ainsi que
de leur fonctionnement a réellement été au cœur de ce projet. Un
travail conséquent a donc été de se polariser, en forte interaction
avec l’équipe de l’AIA, sur la compréhension du fonctionnement
des turbomoteurs et le déroulement des gammes d’essais pour
ensuite les traduire en séquences à enchaîner au sein d’un scénario.
Une multitude d’entrées et de sorties à gérer
Côté acquisition, le système comprend 50 entrées analogiques
(à 10 et 100 Hz), 60 entrées TOR, 5 entrées de comptage, et une
voie numérique pour une communication série RS-232. Côté
génération, il y a 10 sorties analogiques et 45 sorties TOR. 115
voies calculées et 75 voies opérateur sont également utilisées.
Concernant l’architecture matérielle mise en œuvre, l’essai est
piloté par un contrôleur PXI temps réel et un PC de supervision
sous Windows. Une carte FPGA assure les fonctions de sécurité
de l’installation et de régulation du frein. Les données sont
exportées du PC de supervision sur le serveur général de l’AIA.
Un PC de développement transfère des informations de
configuration vers le PC de supervision et le serveur où les
données sont sauvegardées.
Le banc à rénover est destiné aux essais de turbomoteurs et de
groupes auxiliaires de puissance.
Du PXI temps réel pour le contrôle/commande
Concernant l’architecture logicielle, la suite logicielle VASCO,
intégralement développée par NÉRYS sous NI LabVIEW, est mise en
œuvre. De nombreuses fonctions standard éprouvées répondaient
déjà au besoin du client, ce qui a permis de gagner en temps de
développement, d’intégration et de validation et donc également
en coût par rapport à l’offre commerciale.
Basé sur le châssis NI PXI-1042, le système PXI temps réel
présente les avantages d’être autonome (le programme démarre
automatiquement à la mise sous tension), de bénéficier du
déterminisme d’un système temps réel, et de répartir la charge du
programme sur deux systèmes (le frontal et le PC de supervision).
Il intègre également une carte FPGA (PXI-7831R) pour gérer
la régulation du frein et les sécurités de l’installation. De cette
manière, ces fonctions sont assurées indépendamment du
fonctionnement du contrôleur temps réel et du PC de supervision.
Cette architecture permet d’atteindre un fort niveau de sécurité.
De plus, les tâches d’acquisition, de génération, de régulation et
de sécurité sont ininterrompues en cas de perte de communication
avec le PC de supervision.
La suite logicielle VASCO est principalement composée des
modules suivants : configuration (sur le PC de développement),
acquisition et contrôle déporté (sur le contrôleur PXI temps réel),
Le logiciel du système PXI est composé de plusieurs fonctions
principales : acquisition et génération de signaux (entrées et
sorties analogiques et logiques, traitement des calculs),
Au total, trois PC sont utilisés : un de pilotage (pour l’opérateur),
un tactile de pilotage (pour le metteur au point) et un pour la
surveillance. Les fonctions remplies par ces trois équipements
sont développées ci-après.
Une architecture logicielle modulaire
46 ni.com/france
communication bidirectionnelle avec le PC de supervision (via le
protocole Ethernet TCP), gestion de la régulation du frein et de la
sécurité de l’installation (principalement via la carte FPGA). De
plus, en cas de rupture de communication avec le PC, le frontal
tente automatiquement de se reconnecter à chaud.
L’écran de conduite d’essais permet principalement de suivre
le déroulement des procédures automatiques, de visualiser et
commenter le journal de bord, de lancer des procédures, de prendre
des points de mesure (qui seront utilisés lors de la synthèse des
rapports d’essais) et de gérer les écrans de surveillance.
« Cette architecture (à base de FPGA) permet d’atteindre
un fort niveau de sécurité. »
Un PC de développement pour la configuration
Le poste de développement permet de configurer intégralement
l’environnement des essais, via le module VASCO Configuration. Tout
ou partie des fichiers correspondants peuvent ensuite être transférés
au poste de supervision, pour éviter les modifications non autorisées.
Un essai est principalement défini par une configuration moteur (type,
numéro de série, type d’essai, modèle de procès verbal…), une
configuration de voies de mesure et de pilotage, des paramètres
opérateur, des voies calculées (avec une ou plusieurs voies physiques,
opérateurs ou calculées en paramètres d’entrée). L’essai inclut
également un scénario d’essai, constitué d’un enchaînement de
procédures décrites séquentiellement. Elles sont basées sur des
fonctions VASCO Script. Les nombreuses fonctions permettent
d’automatiser complètement un essai. Les scénarios créés (un
par moteur) sont composés en moyenne de 2500 lignes
d’instructions élémentaires.
Concernant les paramètres de sécurité (particulièrement pour le
frein), les VIs correspondants peuvent être activés sur le FPGA,
le contrôleur PXI temps réel ou le PC de supervision. Lorsque le
FPGA ou le contrôleur temps réel déclenche une alarme, elle est
envoyée au PC de supervision qui lance l’exécution d’une procédure
spécifique, en fonction du niveau de l’alarme.
Les modifications des VIs de calcul et de sécurité sont suivies par
sauvegarde des versions antérieures et incrémentation d’un numéro
d’ordre, en utilisant les fonctionnalités existantes de LabVIEW.
Un PC de supervision pour le contrôle des essais
L’essai est géré par les utilisateurs (le metteur au point et l’opérateur)
via le module VASCO Essai installé sur le PC de supervision. Les
principales fonctionnalités sont l’établissement de la communication
avec le contrôleur PXI temps réel, et le chargement du moteur
d’exécution des procédures, du module d’enregistrement, des
Interfaces Homme-Machine (IHM) standard et spécifiques.
Les IHM standard permettant de visualiser les données sont
le compte-tours, le bargraph, les graphiques temporels et XY,
l’indicateur numérique et le tableau. Les autres IHM standard
utilisées sont le journal de bord, le sélecteur de voies, le suivi
des alarmes, l’enregistreur et l’indicateur d’informations générales.
Des synoptiques spécifiques ont également été développés pour
la conduite d’essais (un par moteur), pour les circuits d’eau, d’huile
et de carburant, et pour la sélection et la lecture de points
de fonctionnement. Concernant la gestion des IHM, tous les
paramètres sont affichés sur le même top temps réel. Un
menu permet de choisir parmi les différentes pages écran.
L’écran tactile de pilotage permet aisément
aux deux utilisateurs d’utiliser simultanément
deux pages de la même application, l’un via
la souris, l’autre de manière tactile.
Pour les enregistrements, les différents fichiers de données
enregistrées au cours de l’essai sont transférés et archivés sur le
serveur général de l’AIA. Un enregistrement ante mortem peut
être déclenché automatiquement en cas d’alarme.
À l’arrêt du module Essai, l’utilisateur a trois possibilités : édition
PC (accès à l’interface d’édition des procès-verbaux et génération
des rapports), suspension de l’essai (arrêt du banc le soir et reprise
de l’essai en l’état le lendemain matin par exemple) et fin de
l’essai (impression des rapports d’essai et transfert des fichiers
sur le serveur).
Trois fonctions connexes
La gestion de différents niveaux de sécurité permet de restreindre
l’accès à la modification de la configuration, des scénarios, des
formules de calcul et de la sécurité dans le module Configuration
et également dans le module Essai.
L’essai de type étalonnage est défini de manière similaire à un essai
moteur mais est paramétré différemment (il est principalement lié
à une IHM et un scénario particuliers). Cet essai permet d’étalonner
des voies de mesure ou de déterminer les écarts sur les voies par
rapport à un étalonnage précédent. À l’issue de l’étalonnage, le
module VASCO Configuration est mis à jour et un procès-verbal
est généré.
Le post-traitement des données est réalisé à partir du module
VASCO Exploitation. Ce module permet principalement d’éditer
des documents de fin d’essai et de consulter les données
enregistrées ainsi que le journal de bord.
Une application qui colle aux besoins
Le banc est aujourd’hui livré et utilisé dans le cadre d’une exploitation
normale. Les échanges très réguliers avec l’équipe de l’AIA, leur
implication dans le projet et la prise en compte de leurs remarques
nous ont permis d’adapter l’application de manière à ce qu’elle
réponde exactement à leurs besoins.
Florent DUVINAGE
NÉRYS
1480, avenue d’Arménie
Pôle d’Activités Yvon Morandat
13120 Gardanne
Tél. : +33 (0)4 42 25 52 02
Web : www.nerys.biz
ni.com/france
47
Saint-Gobain sécurise ses plaques d’égout grâce
à la profilométrie LASER 3D
Par Véronique NEWLAND, Service R&D de NEW VISION Technologies
L’objectif :
La soLution :
S’assurer de la conformité des regards de chaussée sur leur
ligne de fabrication.
Réaliser la mesure de planéité du regard de chaussée en utilisant
des produits NI d’acquisition de données et de vision industrielle,
mais aussi modéliser un éventuel basculement à l’aide des
fonctions mathématiques de NI LabVIEW.
Saint-Gobain Pont-à-Mousson fait partie de notre quotidien sans
que nous en ayons réellement conscience. Combien de fois
avez-vous marché sur un regard de chaussée (« plaque d’égout »)?
Des dizaines, des centaines de fois… Vous avez même peut-être
joué à le faire basculer en vous portant à pieds joints sur un côté
dans l’espoir de l’entendre faire « clang-clang » ? Tant qu’il ne
bascule que pour vous faire entendre un petit bruit tout va bien,
mais cela peut être plus grave si la roue d’un camion le fait basculer
beaucoup plus. Il est possible d’imaginer d’autres conséquences
tant ces regards de chaussée sont situés partout. Il en existe sur
les pistes d’aéroport, sur les sols d’usine, dans des couloirs de
sous-sol d’hôpital, etc.
Un regard de chaussée est composé d’un cadre implanté dans la
chaussée et d’un tampon qui pourra être soulevé pour accéder au
sous-sol. Le cadre et le tampon sont mesurés individuellement
pour déterminer leur conformité.
Les mesures de planéité étaient réalisées auparavant à l’aide
d’une machine de mesure tridimensionnelle par palpeur. Cette
méthode de mesure était complexe à mettre en œuvre et éloignée
de la ligne de fabrication : d’où un faible nombre de contrôles.
La mesure de basculement était fastidieuse car elle reposait
sur l’utilisation manuelle d’un trépied mécanique. Un opérateur
appuyait d’un côté pour simuler un appui, un autre opérateur
devait mesurer l’éventuel soulèvement généré, cette opération
étant renouvelée sur tout le pourtour du regard de chaussée.
Le suivi qualité était dépendant d’un relevé manuel de la part
des opérateurs.
Une caméra associée à une ligne laser
Baptisé ScanLine, le dispositif de mesure de planéité proposé par
NEW VISION Technologies est installé à proximité de la ligne de
fabrication et calcule le basculement par simulation numérique.
Système de mesure rotatif sur marbre
Toutes sortes de risques peuvent être générés si un regard de
chaussée bascule : pincer un pneu, faire trébucher un passant,
créer un incident sur un envol d’avion…
Mesurer la planéité et modéliser le basculement
Saint-Gobain a fait appel à NEW VISION Technologies pour
maîtriser précisément cette question du basculement. Ils avaient
besoin d’un spécialiste en mesure optique 3D pour réaliser la
mesure de planéité du regard de chaussée, mais également d’un
interlocuteur capable de modéliser un éventuel basculement dû à
des défauts de planéité.
48 ni.com/france
Calcul de la planéité et du basculement
Il est basé notamment sur une caméra industrielle FireWire
(IEEE1394a) d’une fréquence image de 100 images/s et une ligne
LASER. Les caractéristiques de la triangulation ScanLine sont
calculées pour obtenir les performances suivantes :
■■
hauteur de travail : 250 mm
■■
plage de travail en hauteur : 27 mm
■■
largeur de la ligne : 20 mm
■■
résolution pixel ligne : 0,031 mm
■■
résolution en hauteur : de 0,0526 à 0,061 mm
■■
fréquence mesure : jusqu’à 100 mesures par seconde
■■
répétabilité : mesure de planéité : +/- 0,01 mm
■■
répétabilité : basculement : +/- 0,5 mm.
Afin d’acquérir les images, une carte NI PCI-8252 est interfacée à
la caméra FireWire. Le driver Vision Acquisition Software permet
une grande souplesse de gestion des caméras. La compatibilité
de ce logiciel avec les standards des caméras facilite l’évolution
des performances du système. Et pour le traitement des images,
nous avons fait appel au logiciel Vision Development Module.
La position angulaire est mesurée à l’aide d’une carte compteur
NI PCI-6601 et d’un codeur.
Ensemble de mesure 3D ScanLine
L’opérateur positionne le cadre ou le tampon sur le « marbre » qui
comporte des repères de centrage en fonction des références
de regards de chaussée. Il indique au logiciel le type de pièce à
mesurer (pré-enregistrée), lance la mesure et déclenche la mise
en rotation. Après une minute de rotation, il peut retirer la pièce
et passer à la suivante.
Rapidité, traçabilité et amélioration de la qualité
Cette architecture matérielle complétée par un dispositif de
rotation au-dessus de la pièce et d’un « marbre support » permet
de mesurer le profil 3D de la piste d’appui du regard de chaussée.
L’analyse en temps réel de chaque profil permet la mesure de la
planéité. Quant au basculement, il est calculé à partir du relevé de
planéité sur 360°.
Pour réaliser la mesure de planéité, il fallait planifier la disponibilité
du personnel qualifié et organiser l’accès à une machine
tridimensionnelle de laboratoire. Grâce au système ScanLine,
un opérateur de production contrôle la pièce en une minute.
Il dispose d’un rapport automatique, généré par le toolkit
de génération de rapport de LabVIEW, assurant la traçabilité
du contrôle.
« NVT utilise les ressources de LabVIEW pour résoudre les
équations nécessaires au calcul du basculement. »
Création d’un modèle mathématique innovant
L’analyse du basculement est réalisée par simulation numérique
en associant différents cadres et tampons. NEW VISION
Technologies (NVT) utilise les ressources de LabVIEW pour
résoudre les équations nécessaires au calcul du basculement.
Le modèle mathématique pour le calcul du basculement a été
conçu et testé en collaboration avec le client. Celui-ci a transmis
des mesures réalisées avec le trépied. NVT a déterminé les
formules mathématiques pour le modéliser. Une série de tests
a confirmé la corrélation entre les basculements mesurés et
ceux calculés.
Une plus grande réactivité sur sa ligne
de fabrication permet une économie
de matière sur les pièces défectueuses.
Au-delà de l’objectif de contrôle de
conformité, le client a pu analyser les
défauts de production et y remédier en rectifiant ses moules
de fabrication.
Véronique NEWLAND
NEW VISION Technologies
18, rue Albert Einstein
77420 Champs-sur-Marne
Tél. : +33 (0)1 60 17 46 73
Web : www.new-vision-tech.com
Le déroulement de cette pré-étude et le développement du
système se sont déroulés sur six mois.
Après réglage de la ligne, quatre pièces sont systématiquement
mesurées pour s’assurer de la conformité.
ni.com/france
49
Pilotage d’une station de production
d’hélium3 polarisé
Par David JULLIEN, ILL (Institut Laue-Langevin)
Mathilde VINCENT, SAPHIR
L’objectif :
La soLution :
Réaliser le pilotage et la surveillance d’un nouveau système de
production d’hélium3 polarisé, plus performant que le système
existant en termes de taux de polarisation et de débit de la station.
Avec des contraintes fortes : robustesse (fonctionnement 24 H/24)
et déterminisme.
Utiliser la plate-forme PXI avec NI LabVIEW Real-Time pour
piloter les vannes, acquérir et générer les signaux analogiques
et numériques, gérer le déplacement du vérin, à l’aide des
Toolkits NI CANopen, ModBusVIEW over TCP et SmartSQLVIEW
for SQLite. L’application de supervision a été réalisée par
programmation objet par une équipe de développeurs rodée
aux architectures logicielles complexes.
Afin d’étudier les propriétés magnétiques de la matière, les
scientifiques ont besoin de polariser des faisceaux de neutrons
grâce à de l’hélium3 polarisé. Celui-ci était jusqu’à maintenant
produit sur le site de l’ILL (Institut Laue-Langevin) à Grenoble
pour les chercheurs du monde entier.
lasers à fibre polarisés circulairement permettent de polariser
l’hélium3 dans les cellules par pompage optique. L’hélium3 polarisé
est ensuite comprimé sans perte de polarisation dans des
containers au moyen d’un compresseur à piston, spécialement
développé par l’ILL pour cette application.
Des bobines entourant le banc génèrent un
champ magnétique de 10 Gauss avec une
homogénéité relative de champ magnétique
de l’ordre de 10 -4 cm -1 dans un volume de
60 cm de diamètre sur 1,2 m de haut. Cette
homogénéité est nécessaire à la polarisation de l’hélium3 et à la
conservation de cette polarisation dans les composants du banc
dans lesquels circule l’hélium3 polarisé.
« L’utilisation de la programmation orientée objet a
permis d’obtenir un code de qualité, à la fois maintenable
et évolutif. »
Le nouveau système FLYNN permet d’améliorer les performances
par rapport au système existant en augmentant le débit de la
station (1 bar.litre/heure) et le taux de polarisation final obtenu
dans les cellules (>70 %). Ce système sera prochainement installé
en Australie et en Angleterre.
Une instrumentation PXI pour répondre aux
contraintes temps réel et de robustesse
Le système effectue en continu l’acquisition d’une quinzaine de
voies analogiques (pression, polarimètre, débitmètre) et d’une
dizaine de voies numériques. Ces données sont transférées par
Ethernet à l’application de supervision pour affichage et contrôle.
La montée en pression du gaz dans la cellule s’effectue par une
série de cycles de déplacement du vérin. La carte d’interface CAN
NI PXI-8513 associée aux fonctions de la bibliothèque NI CANopen
ont ainsi permis de gérer la vitesse et la position du vérin, et de
contrôler son couple.
Le déterminisme nécessaire pour synchroniser l’ouverture d’une
vanne d’évacuation du gaz avec la position du vérin est assuré par
la plate-forme temps réel.
Une architecture logicielle basée sur l’héritage
Station de production de l’hélium3 polarisé
Le principe de la polarisation
De l’hélium3 ultra pur est stocké dans des réservoirs à pression
atmosphérique. Il est ensuite détendu dans six cellules de
pompage optique à la pression désirée (0,5 à 1,2 mbar). Trois
50 ni.com/france
L’application de supervision offre la possibilité de gérer plusieurs
modes opératoires (polarisation de l’hélium3, purification du gaz,
ajustement de la pression du gaz…). L’architecture modulaire sous
forme de classes a permis de répondre à ce besoin, en exploitant
la notion d’héritage proposée par la programmation orientée objet
sous LabVIEW.
L’utilisation de la programmation orientée objet a permis d’obtenir
un code de qualité, à la fois maintenable et évolutif.
Application de supervision du système
L’utilisation de bibliothèques certifiées
L’utilisation des bibliothèques de fonctions NI CANopen
(pilotage du vérin), ModBusVIEW over TCP (pilotage des
vannes) et SmartSQLVIEW for SQLite (gestion des configurations
utilisateurs) a optimisé les temps de développement et garanti
un fonctionnement fiable.
Un système opérationnel
Des premiers tests très satisfaisants ont été effectués sur le site
de l’ILL : la polarisation de l’hélium3 atteint plus de 70 %.
Les deux stations seront prochainement installées en Australie
et Angleterre…
Mathilde VINCENT
SAPHIR
50, rue du Mail
38530 Barraux
Tél. : +33 (0)4 38 92 15 50
Web : www.saphir.fr
David JULLIEN
ILL (Institut Laue-Langevin)
6, rue Jules Horowitz
BP156
38042 Grenoble Cedex 9
Tél. : +33 (0)4 76 20 71 11
Web : www.ill.fr
ni.com/france
51
EDF caractérise et met au point des pompes
à chaleur haute température pour l’industrie
Par Ismaël ZAÏD, EDF R&D et Olivier JOURDAN, SAPHIR
L’objectif :
La soLution :
Mettre en place un banc de tests permettant de reproduire le
fonctionnement d’un système de récupération et de valorisation
d’énergie en milieu industriel.
Développer un système de supervision avec NI LabVIEW,
capable de piloter à distance différentes pompes à chaleur, de
calculer et d’afficher en temps réel le diagramme enthalpique des
pompes à chaleur sous test, et de sauvegarder l’ensemble des
mesures pour une analyse différée.
EDF, en tant que fournisseur d’énergie, contribue à la mise en œuvre
de solutions d’efficacité énergétique pour permettre à ses clients
industriels de réaliser des économies d’énergie. Dans ce contexte,
EDF R&D axe ses recherches sur la pompe à chaleur industrielle
haute et très haute température (PAC HT et THT) afin de valoriser
l’énergie fatale contenue dans les effluents liquides à basse
température. Cette énergie sera valorisée en la restituant à un niveau
de température jusqu’à 140 °C, ce qui constitue un gisement
d’économie d’énergie considérable pour les clients industriels.
Tester pour démontrer la pertinence industrielle
des PAC HT (100 °C) ou THT (140 °C)
Un regain d’intérêt pour la pompe à chaleur
Pour cette raison, EDF développe, en partenariat avec différents
constructeurs, des PAC destinées à vérifier la faisabilité et la
robustesse des machines pour des températures allant de 80
à 140 °C.
Une PAC est un dispositif thermodynamique permettant de
transférer la chaleur du milieu le plus froid vers le milieu le plus
chaud, alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus
chaud vers le plus froid jusqu’à l’égalité des températures.
En France, étant donné le faible coût de l’électricité et son faible
taux d’émission de CO 2, la PAC connaît un regain d’intérêt.
Aujourd’hui, les PAC disponibles sur le marché sont généralement
dédiées à des besoins de climatisation et de chauffage à basse
température. Les constructeurs capables d’offrir des produits qui
conviennent à des conditions de fonctionnement industrielles ne
sont pas nombreux (plusieurs MW, température supérieure à 80 °C).
Aujourd’hui, les PAC industrielles standard ne permettent pas
de fonctionner à des températures supérieures à 80 °C.
Le succès du développement technique de la PAC HT ou THT
en termes de performances, de fiabilité et de coût nécessite de
lancer des études expérimentales afin de démontrer la pertinence
industrielle de cette technologie.
Le système de récupération et de valorisation de l’énergie
thermique, mis en œuvre par EDF, comprend :
■■
des échangeurs de chaleur
■■
des cuves de stockage
■■
des PAC HT et THT
■■
■■
un circuit hydraulique (source froide) permettant de simuler les
effluents rejetés par un site industriel jusqu’à 90 °C, avec un
débit de 62 m3/h et une puissance de 450 kW
un circuit hydraulique (source chaude) simulant le procédé
industriel qui dissipe une puissance thermique de 750 kW
jusqu’à 150 °C.
Une supervision à géométrie variable
Afin de conduire les campagnes d’essais à réaliser pour qualifier
les PAC, EDF R&D a fait appel à la société SAPHIR pour développer
et réaliser un programme de supervision permettant :
■■
■■
■■
Pompe à chaleur industrielle à haute température JCI avec un
fluide frigorigène de type HFC - R245fa pour une production d’eau
chaude à 100 °C
52 ni.com/france
■■
la visualisation de l’ensemble des paramètres de
fonctionnement du système de récupération et de valorisation
de l’énergie thermique comprenant plusieurs PAC sous test
le pilotage manuel ou automatique de l’ensemble des
consignes au travers d’automates programmables
la sauvegarde des essais de longue durée
l’affichage instantané des cycles thermodynamiques
(diagrammes de Mollier).
L’architecture du programme permet d’accueillir facilement
d’autres PAC qui pourront être supervisées de façon analogue
aux premières PAC déjà validées.
transitoires. L’analyse des résultats expérimentaux est ainsi très
aisée et permet une optimisation des paramètres d’exploitation.
Un pilotage automatique très simple
Grâce à un générateur de scénario graphique intégré à la
supervision, l’exploitant peut piloter les différents paramètres
(débits, consignes de pressions ou températures, mode de
fonctionnement de la PAC sous test…) à sa guise.
Des tests de longues durées, s’approchant au mieux de la réalité
d’une exploitation en milieu industriel, peuvent alors être effectués
et répétés à volonté.
Un outil de tests fiable et des évolutions possibles
Basée sur le protocole Modbus (le plus utilisé ces 30 dernières
années dans l’industrie), la communication avec les différents
automates du système s’effectue à l’aide des add-ons
complémentaires à LabVIEW développés par SAPHIR et
disponibles sur le LabVIEW Tool Network.
Poste de commande double écran du système de tests
La robustesse de ces drivers se vérifie durant toutes les
campagnes d’essais menées par EDF R&D.
« En un coup d’œil, nous pouvons vérifier l’état de
fonctionnement d’un système complexe. »
Le système de supervision affiche les synoptiques de chacune
des boucles du système ainsi que les principales valeurs de
fonctionnement du système (mesures physiques, états des
actionneurs, calculs thermodynamiques, bilans thermiques…).
Le système de double écran scinde les informations relatives à
l’ensemble des boucles hydrauliques et à la PAC sous test. Les
diagrammes enthalpiques, rafraîchis en temps réel, rendent
compte très rapidement à l’exploitant de l’état de fonctionnement
de la PAC sous test.
Au fil de l’avancée du projet, c’est maintenant trois
technologies de PAC HT ou THT que le programme
de supervision est capable de piloter.
Le logiciel peut également acquérir, simultanément aux
données en provenance des automates, des mesures
en provenance d’un système NI CompactDAQ ou de tout autre
matériel d’acquisition National Instruments.
Olivier JOURDAN
SAPHIR
50, rue du Mail
38530 Barraux
Tél. : +33 (0)4 38 92 15 50
Web : www.saphir.fr
Visualisation temps réel du diagramme enthalpique de la
PAC sous test
En un coup d’œil, nous pouvons vérifier l’état de fonctionnement
d’un système complexe, même pour des régimes de fonctionnement
ni.com/france
53
EDF R&D choisit une solution basée sur le
NI CompactRIO pour la rénovation de son
laboratoire d’essais machines tournantes
Par Jean-Marie BONNET, STYREL Technologies
L’objectif :
La soLution :
Valider, par l’intermédiaire d’un banc d’essais, les outils de
simulation du comportement vibratoire des machines tournantes
du parc de production électrique d’EDF, et mettre au point des
systèmes de mesure d’expertise. Intégrer dans le banc d’essais
rénové un dispositif CompactRIO réalisant des acquisitions de
données synchrones tout en assurant la sécurité du banc en cas
de défaut.
S’appuyer sur la modularité, la compacité et la robustesse
de la plate-forme CompactRIO pour obtenir un système
d’enregistrement temps réel, facile à programmer et pouvant
assurer des fonctions de sécurité de haut niveau au travers de
la technologie FPGA.
EDF R&D met en œuvre, sur le site de Clamart, le banc d’essais
EUROPE dédié à l’étude de la tenue mécanique des machines
tournantes par le biais de mesures de vibrations rotor et ailettes,
de techniques d’équilibrage, de validation expérimentale des
modélisations numériques, etc.
Des changements de configuration réguliers
Cette installation est pilotée par un système de contrôle/commande
de technologie conventionnelle comprenant :
Compte tenu des enjeux, EDF R&D a logiquement décidé de
mettre à niveau son contrôle/commande.
L’équipement fonctionne par campagnes d’essais : avant un nouvel
essai, la configuration de l’équipement de contrôle/commande
nécessite un temps de préparation important. De même, le
changement de consigne et de paramètres pour réaliser un essai
peut prendre un jour, et requiert une bonne
connaissance de l’équipement. En outre,
« L’ensemble de la solution a été programmée en utilisant
l’analyse différée des mesures ne répond
un seul environnement de développement : NI LabVIEW. »
plus aux besoins actuels.
■■
un traitement automatisme/sécurité par relais
■■
des modules de conditionnement de signaux
■■
un tableau/pupitre comportant des voyants,
afficheurs et boutons-poussoirs
■■
des platines d’interconnexion des signaux
■■
un poste d’analyse différée.
Les objectifs du projet de rénovation du contrôle/commande
du banc d’essai mécanique EUROPE sont les suivants :
■■
■■
■■
maintenir les fonctions et caractéristiques actuelles dans
le système de contrôle/commande rénové
faciliter la configuration de l’équipement de contrôle/commande
lors de la préparation des essais
faciliter le changement de consigne et le paramétrage lors
de l’exploitation du banc d’essai
■■
moderniser le poste de supervision et de commande
■■
garantir la pérennité du système de contrôle/commande rénové
■■
faciliter la mise à disposition des résultats d’essai et
leur traitement.
72 voies de mesures synchrones temps réel
Vue d’ensemble du banc d’essai EUROPE
54 ni.com/france
La lecture des différentes exigences du cahier des charges a
conduit STYREL à préconiser la plate-forme NI CompactRIO
associée à un PC de supervision. Cette plate-forme permet de
sécuriser les essais au travers de la technologie FPGA, de réaliser
des mesures synchrones temps réel sur de nombreuses voies
(72 actuellement) et d’effectuer des opérations de logiques
séquentielles comme un API (Automate Programmable Industriel).
Un système compact, évolutif et plus efficace
En termes de formation pour des évolutions futures, cette
plate-forme répond parfaitement aux besoins tant du point
de vue du matériel, avec un choix important dans les modules
d’acquisition et une extension possible avec EtherCAT, que du
point de vue logiciel, avec une reconfiguration simplifiée par
l’utilisation d’un seul environnement de développement.
Un gain de temps important a été obtenu dans la reconfiguration
du banc grâce à l’interface de supervision permettant de sauvegarder
des paramètres d’essai, des conditions de sécurité, etc., puis
de les recharger autant de fois que nécessaire. Il est possible
de réaliser différentes configurations d’essai avec un temps de
reconfiguration logicielle très court.
Écran de supervision de l’installation permettant de lancer un essai
et de visualiser le comportement sécuritaire du banc et de
l’équipement en test
En conclusion, la prescription NI CompactRIO permet de disposer
d’un système dédié à la baie d’acquisition et de pilotage, évolutif,
aux dimensions réduites et muni de dispositifs de sécurité basés
sur FPGA, tout en étant contrôlé par le PC de supervision.
L’ensemble de la solution a été programmée en utilisant un seul
environnement de développement : NI LabVIEW.
Chaque sous-ensemble assure une fonction dédiée. Le Module
LabVIEW FPGA est en charge de la gestion des aspects sécuritaires
et de l’acquisition synchrone des mesures. Le Module LabVIEW
Real-Time gère le temps réel et le cycle d’essai, avec la fonction
automate. Enfin, le programme LabVIEW installé sur le PC
assure la supervision, la sauvegarde des mesures, la gestion
des configurations d’essai et les traitements différés des
données d’essai.
Jean-Marie BONNET
STYREL Technologies
1, rue Léonard de Vinci
ZI le Parc
91220 Le Plessis-Pâté
Tél. : +33 (0)1 69 88 85 29
Web : www.styrel.fr
ni.com/france
55
Enseignement
Banc de caractérisation d’antennes en bande X
Par Chantal GUNTHER, ENSICAEN
L’objectif :
La soLution :
Concevoir et mettre en œuvre un banc de caractérisation
d’antennes en bande X de structure souple et évolutive,
le tout dans un cadre pédagogique.
Développer une interface sous NI LabVIEW et piloter le
positionnement de l’antenne et des mesures de puissance
via les cartes NI USB-6009 et NI GPIB-USB-HS.
L’ENSICAEN est une école publique d’ingénieurs située sur le
campus scientifique de Caen à proximité immédiate de ses sept
laboratoires de recherche de renommée internationale. Son offre
la mesure des puissances d’émission et de réception en fonction
de la position de l’antenne de réception.
Nous avons souhaité doter ce banc d’une
interface logicielle pour le pilotage des
« La mesure est pilotée via LabVIEW, de la recherche
instruments de mesure et des moteurs
automatique de l’alignement des antennes à l’affichage
de déplacement, l’acquisition des données,
en coordonnées polaires du diagramme de rayonnement :
l’affichage des résultats de mesure
que du bonheur ! »
(notamment le diagramme de rayonnement
de l’antenne étudiée), l’exploitation des
de formation repose sur cinq diplômes qui ont tous vocation à
résultats de mesure afin d’en déduire les caractéristiques
développer le savoir-faire et l’ouverture d’esprit de ses élèvesprincipales d’une antenne : le gain et l’ouverture angulaire.
ingénieurs. Des projets et des stages viennent compléter une
solide formation théorique et pratique.
À partir des fonctionnalités souhaitées du banc et des instruments
de mesure dont nous disposions, nous avons établi la
La formation «Électronique & Physique Appliquée» bénéficie des
configuration électrique suivante illustrée en Figure n°1 :
collaborations avec les industriels de l’énergie, l’instrumentation,
un moteur continu fixé sur le rail de translation entraîne une
la microélectronique, les télécommunications. Aussi, l’ENSICAEN
courroie
afin de déplacer le chariot supportant l’antenne de
a été sensible à l’efficacité du développement logiciel sous
réception
et son appareil de mesure de puissance (powermeter)
LabVIEW et à la demande croissante des industriels dans les
domaines de l’instrumentation, du test et de la commande pour
la rotation de l’antenne de réception est assurée par un moteur
cette compétence : elle a mis en place une formation LabVIEW
pas à pas
et est devenue LabVIEW Academy en 2010.
les mouvements de rotation et translation sont pilotés par
la carte NI USB-6009 associée à un étage de puissance
(le courant maximal fourni par la carte NI USB-6009 étant
de 200 mA)
■■
■■
■■
■■
■■
Figure n°1. Diagramme de rayonnement relevé pour une antenne
Cornet. Le gain mesuré est de 17 dB, l’ouverture angulaire de 25°.
Lifting du banc de caractérisation d’antennes
Les réseaux sans fil (WiFi, WiMax, Bluetooth, Zigbee, GSM...)
connaissent une forte croissance et envahissent notre quotidien
en environnement privé et industriel. Des compétences en
communication sans fil sont apportées à nos étudiants et des
travaux pratiques leur permettent d’appliquer les principes de
propagation et de caractériser différents types d’antennes en
bande X. Ils doivent donc disposer d’un banc d’antennes qui
assure le déplacement et la rotation de l’antenne de réception,
56 ni.com/france
les powermeters connectés à un bus GPIB communiquent avec
la carte NI USB-6009 via l’interface GPIB/USB réalisée par la
carte NI GPIB-USB-HS. Le standard USB a été choisi pour la
portabilité du système
toutes les interfaces entre l’ordinateur et le banc de mesures
sont développées avec le logiciel LabVIEW.
Avant cette métamorphose profonde du banc de mesure, le relevé
du diagramme de rayonnement demandait préalablement des
réglages manuels à l’utilisateur tels que le positionnement de
l’antenne de réception en champ lointain, la mesure de la puissance
émise et l’alignement des deux antennes. La phase de mesure
consistait ensuite à commander la rotation de l’antenne de réception
via un boîtier électronique et à relever manuellement la puissance
transmise pour chaque angle. Cette phase de mesure, certes
formatrice, était d’un coût en temps trop élevé pour que
les étudiants puissent caractériser et comparer différents
types d’antennes.
Enseignement
Ce banc est à présent opérationnel et libère du temps pour que les
étudiants puissent analyser les résultats et comparer les différents
types d’antennes durant la séance de TP. Il suffit effectivement de
configurer les types d’antennes (émission/réception) en jeu, la
fréquence de travail, l’éloignement des antennes et la plage
angulaire souhaitée (Figure n°2). La mesure est pilotée via
LabVIEW, de la recherche automatique de l’alignement des
antennes à l’affichage en coordonnées polaires du diagramme
de rayonnement (Figure n°3) : que du bonheur ! La résolution
angulaire atteinte est de 1°.
À l’avenir, nous aimerions expérimenter d’autres capteurs de
position et de déplacement… toujours dans un but pédagogique.
Figure n°2. Face-avant pour sélectionner via les onglets la configuration
du matériel et de la mesure, le paramétrage des mesures pour
l’antenne de réception en translation et/ou en rotation.
Le travail présenté ici a réuni, autour de ce banc de caractérisation
d’antennes en bande X : Luiz Gustavo Villela Loepper, Henrique
Silva Mattos, Philippe Leprince, Olivier Clouard et Chantal Gunther.
La rénovation de ce banc didactique a eu pour objectifs d’actualiser
les techniques d’instrumentation, de réduire le temps de mesure
et a elle-même été formatrice à plusieurs titres : ce projet a permis
à l’équipe pédagogique de prendre en main LabVIEW, suite à la
formation qu’elle venait de recevoir et d’encadrer deux stagiaires.
La conception (mécanique, électronique et logiciel) du banc a été
pensée de sorte à gagner en précision et ergonomie, et à pouvoir
faire évoluer ce banc ultérieurement.
Chantal GUNTHER
ENSICAEN
6, boulevard Maréchal Juin
14050 Caen Cedex
Tél. : +33 (0)2 31 45 26 99
Web : www.ensicaen.fr
Nous nous sommes tout naturellement tournés vers une carte
NI pour développer notre application afin d’optimiser le développement
logiciel. La carte NI USB-6009, simple de mise en œuvre, est une
solution économique, portable, adaptée à nos (faibles) besoins en
termes de nombre d’entrées/sorties et de rapidité.
Figure n°3. Schéma de conception du banc d’antennes. La puissance
Pe émise par l’antenne fixe d’émission est transmise à l’antenne de
réception fixée sur un plateau tournant. L’éloignement et l’angle de
l’antenne de réception vis-à-vis de l’antenne d’émission sont ajustés
via un moteur DC (distance) et un moteur pas à pas (rotation). Un
étage intermédiaire de puissance a été inséré pour fournir un courant
supérieur à 200 mA. La carte NI USB-6009 pilote ces moteurs à partir
de la plage de mesure spécifiée par l’utilisateur ainsi que des données
des capteurs de translation et de position.
Nos étudiants ont pris en main LabVIEW à l’aide des cours
NI LabVIEW Basics I et Intermediate II. Pour des raisons
économiques, nous voulions conserver nos powermeters
d’ancienne génération communiquant seulement via GPIB.
Le support technique NI nous a aidés à écrire le driver pour
ces instruments de mesure et a toujours pris en compte les
interrogations de nos étudiants.
ni.com/france
57
Enseignement
Développement d’un robot pour la Coupe
de France de robotique 2011
Lauréat
2011
Par David FREY et Jean-Luc AMALBERTI, IUT1 de Grenoble
L’objectif :
La soLution :
Développer un robot destiné à participer à la Coupe de France
de robotique 2011 intitulée « Chess Up ».
Utiliser une carte NI sbRIO-9632 comme « cerveau » du robot,
pour gérer les capteurs et les actionneurs du robot en temps réel.
Dans le but de participer à la Coupe de France de robotique, les
départements GEII1 et GMP de l’IUT1 de Grenoble ont développé
un robot autonome basé sur une carte sbRIO-9632. Les étudiants
ont réalisé l’ensemble du robot : la partie mécanique, l’intégration
des capteurs et des actionneurs (moteurs à courant continu pour
les déplacements du robot, servomoteurs pour les différents
actionneurs comme la pince…) et le développement des
programmes et stratégies afin de marquer le plus grand nombre
de points possibles.
recherche en robotique en passant par des élèves de BTS/DUT
ou d’écoles d’ingénieurs.
Un robot pour jouer aux échecs
La Coupe de France de robotique regroupe environ 200 équipes
provenant d’écoles d’ingénieurs, d’universités, de clubs de robotique,
d’IUT et de lycées. Environ 3000 étudiants s’affrontent chaque
année avec un nouveau sujet, à La Ferté-Bernard au mois de mai
pendant une petite semaine.
L’objet de l’édition 2011, intitulée « Chess Up », était de réaliser
un robot capable de « jouer aux échecs » sur une table de 2 mètres
sur 3. Le principe de la compétition était basé sur un damier bicolore.
Deux robots concouraient l’un contre l’autre, avec l’objectif de
récupérer les pièces disposées de manière pseudo-aléatoire sur le
damier et de les positionner sur les cases de la couleur assignée
au robot.
Le positionnement d’une pièce sur la bonne couleur donnait un
point, un empilement de 3 pièces sur une même case accordait
un bonus.
Les robots devaient se conformer à un gabarit en hauteur et
en périmètre.
L’équipe de l’IUT de Grenoble et leur robot, lors de la Coupe de France
de robotique
Le principe de base de notre robot repose sur l’intégration de
moteurs équipés de codeurs pour un déplacement précis sur le plan
de jeu, d’une pince pour saisir les pièces et les soulever afin de faire
des empilements, et de capteurs pour localiser le robot adverse
afin d’éviter les collisions, détecter la présence de pièces, etc.
Un projet étudiant multidisciplinaire et motivant
Depuis maintenant plus d’une dizaine d’années, l’IUT de Grenoble
participe à la Coupe de France de robotique (ex coupe E=M6).
Ce développement est réalisé par les étudiants dans le cadre
de projets de réalisation de DUT de 2ème année ou de Licence
Professionnelle et surtout, en plus de leurs enseignements,
au sein d’un club de robotique.
Une carte « tout en un » puissante
Ce projet est tout particulièrement intéressant car il permet aux
étudiants de développer un système complet et leur demande
de mettre en œuvre des compétences pluridisciplinaires et des
capacités de planification afin de réaliser un robot capable de
respecter les critères d’homologation en temps et en heure.
Ainsi, il demande une bonne cohérence entre les étudiants de
GEII et de GMP. En outre, il permet aux étudiants de se confronter
et d’échanger avec de nombreuses équipes allant de l’équipe
familiale, à l’équipe composée de membres d’équipe de
Cette année, il a été choisi de mettre en œuvre une carte
NI sbRIO-9632 comme « cerveau ». Cette carte présente de
nombreux avantages pour une mise en œuvre aisée au sein
d’un robot.
58 ni.com/france
Jusqu’alors, le développement de la partie « intelligente » du
robot était réalisé à l’aide de microcontrôleurs 16 ou 32 bits. Il
était souvent nécessaire de développer une carte électronique
spécifique afin de pouvoir exploiter au mieux les fonctionnalités
du composant.
Tout d’abord, c’est une carte très intéressante pour une application
robotique car elle intègre à la fois un processeur Power PC et un
FPGA Virtex-3.
Enseignement
La présence de ces deux composants permet de développer
de façon simple les stratégies de déplacement du robot, la
commande des actionneurs (moteurs, pinces…) et les
asservissements de position grâce à la partie processeur. La
puissance du processeur et l’espace mémoire présent sur la
carte permettent de s’affranchir des contraintes matérielles qui
apparaissaient avec les systèmes de commandes développés
au préalable à l’IUT. Grâce au langage LabVIEW, il est devenu
possible d’exploiter des plates-formes complexes avec une
approche simple pour les étudiants.
de mise au point et donc de gagner du temps. Cette liaison n’est
par contre pas autorisée en compétition.
Un résultat très encourageant
Le bilan de la compétition a été une 41ème place très encourageante
pour des étudiants de niveau Bac+2/Bac+3 qui participaient pour
la plupart pour la première fois à une compétition de robotique.
Cela a permis à notre robot de se classer devant un certain
nombre d’écoles d’ingénieurs.
« La carte sbRIO a permis à la fois un interfaçage aisé
avec les capteurs et les actionneurs du robot et la mise
en œuvre d’un environnement de développement temps
réel et FPGA performant. »
Par ailleurs, la présence du FPGA permet non seulement d’assurer
un prétraitement et une mise en forme des informations issues
des capteurs, mais également de générer les signaux PWM pour
les moteurs et les largeurs d’impulsions pour les servomoteurs de
façon autonome de la partie processeur. Elle permet également
de gérer les sécurités, comme par exemple l’arrêt du robot pour
éviter les collisions avec le robot adverse.
Au niveau de l’IUT de Grenoble, il s’agit
de la meilleure place depuis huit ans dans
cette compétition.
Le robot n’ayant pas connu de problèmes
particuliers, ni du côté mécanique, ni du côté
électronique/informatique, les étudiants ont pu
se concentrer sur la stratégie à mettre en œuvre pour essayer de
marquer le maximum de points.
Les principaux soucis rencontrés lors de la compétition ont découlé
d’un problème de patinage des roues dû à une motorisation un peu
surdimensionnée par rapport au poids du robot, et de l’éclairage
d’ambiance qui variait d’une table de jeu à l’autre (ce qui a perturbé
certains capteurs).
Un interfaçage matériel aisé
Le contrôle du robot nécessite la mise en œuvre de nombreux
capteurs et actionneurs. La présence de diverses entrées et
sorties aussi bien analogiques que numériques sur la carte
NI sbRIO a permis de s’interfacer facilement avec les différents
éléments présents sur le robot, comme les détecteurs infrarouge,
un capteur de choc, des télémètres infrarouge, des codeurs de
position, des servo-moteurs et des moteurs à courant continu.
Du fait du grand nombre et de la grande variété des entrées/sorties
disponibles, de leurs caractéristiques (niveaux de tensions) et des
protections existantes, l’interfaçage des capteurs a pu se faire de
façon simple, sans risque d’endommager la carte et en limitant le
nombre de circuits électroniques à ajouter.
Moins de temps de développement électronique,
plus de temps pour la stratégie
Cet interfaçage aisé a permis aux étudiants de se concentrer
davantage sur la réalisation du programme de gestion du robot et
sur les stratégies à mettre en œuvre afin de marquer le maximum
de points sans être gênés par la partie matérielle ni un quelconque
souci électronique.
De plus, grâce à l’accès simple aux données d’entrées/sorties, les
problèmes de prétraitement des grandeurs analogiques ont été
fortement simplifiés. Ceci a permis d’avoir très rapidement un
robot apte à fonctionner et donc d’avoir plus de temps pour
optimiser le déplacement de celui-ci sur la table de jeu afin d’être
le plus efficace possible.
Une bonne base pour les développements futurs
Un point important lorsque l’on participe à cette compétition de
robotique est de pouvoir capitaliser d’une année sur l’autre les
développements déjà réalisés. En effet, même si le règlement de
la compétition change tous les ans, les actionneurs, les capteurs,
ainsi que les cartes de commande restent sensiblement les mêmes.
Ce robot et les programmes associés vont nous servir de base
pour les années futures et les prochaines compétitions de robotique.
Du fait de la réserve de puissance et d’entrées/sorties présentes
sur la carte, nous pourrons repartir avec la même cible et réutiliser
les modules développés dans la partie FPGA pour s’interfacer
facilement avec les capteurs et les actionneurs qui devront être
mis en œuvre pour la prochaine compétition.
Le développement du code sous LabVIEW permettra également
aux étudiants de reprendre plus facilement et plus rapidement en
main les programmes réalisés.
David FREY, Jean-Luc AMALBERTI
Département GEII1
IUT1 de Grenoble
151, rue de la Papeterie
38400 Saint-Martin-d’Hères
Tél. : +33 (0)4 76 82 44 70
Web : www-iut.ujf-grenoble.fr/accueil.html
Afin d’avoir plus d’autonomie dans la programmation du robot,
celui-ci est relié au PC via une liaison WiFi point à point pendant
les périodes de développement. Cela permet au robot de se
mouvoir plus librement sur la table de jeu pendant les phases
ni.com/france
59
Enseignement
Bras de fer électronique : un projet pluridisciplinaire
pour les étudiants de l’IUT de Montpellier
Par Nicolas MARINO, enseignant en mécanique et dessin assisté par ordinateur à l’IUT Mesures Physiques de Montpellier
L’objectif :
La soLution :
Créer une machine permettant de mesurer l’effort d’un
compétiteur de bras de fer afin d’illustrer simplement et
pédagogiquement, pour les étudiants, la notion de chaîne
de mesure et d’acquisition.
Utiliser un capteur d’effort « maison » connecté à un boîtier
d’acquisition de données NI USB-6009 contrôlé par une
application NI LabVIEW.
Le département Mesures Physiques de l’IUT de Montpellier
forme de futurs techniciens supérieurs en Mesures Physiques
compétents dans les secteurs de la métrologie, des essais, de
la chaîne de mesure, des procédés physico-chimiques et des
contrôles et analyses. Deux diplômes sont préparés : le DUT
Mesures Physiques et la Licence Professionnelle Métiers de
la Mesure, de l’Instrumentation et des Contrôles (MMIC).
et d’acquisition de données et d’autre part car il permet d’initier nos
étudiants à l’informatique d’instrumentation de façon accessible et
concrète. Son interface graphique le rend intuitif et très abordable.
Il est primordial pour nous que nos étudiants travaillent sur des
logiciels qu’ils retrouveront plus tard en entreprise. De plus, les
versions étudiantes du logiciel leur offrent la possibilité de développer
chez eux leurs propres applications.
Les étudiants n’ont eu que trois semaines pour mener à bien leur
projet, il nous fallait donc des outils simples avec une prise en
main rapide. Durant le projet, bien que les élèves n’avaient pas
étudié auparavant les VIs DAQ, ils se sont bien débrouillés grâce
à la simplicité d’utilisation et à la convivialité de ces outils.
Quatre jauges de déformation pour mesurer la force
du compétiteur
La machine complète a été exposée au salon Energaïa de Montpellier.
Pour illustrer le cœur de notre formation auprès de nos étudiants
et auprès des industriels, il nous fallait monter un projet riche,
intéressant et pluridisciplinaire.
La solution est composée d’un dynamomètre « maison » dont
le corps d’épreuve est une poutre métallique à section carrée
équipée de 4 jauges de déformation. Ces dernières forment un
pont de Wheatstone alimenté par une source de tension continue
de 5 V. Le signal de sortie est proportionnel à l’effort appliqué,
de l’ordre du millivolt. Il est ensuite amplifié par un amplificateur
d’instrumentation (INA 122) pour obtenir un signal de l’ordre
du volt (5 V pour un effort de 500 N). Un voltmètre numérique
(Sefram 7345) indique à l’étudiant que le signal de sortie est
une tension électrique qui va ensuite être traitée par la partie
électronique et informatique d’instrumentation.
La machine de bras de fer : un projet à prendre en main !
Nous avons donc développé une machine didactique permettant
de visualiser différentes chaînes d’acquisition de la mesure
d’effort. La difficulté était de monter un projet capable de
décortiquer simplement la chaîne de mesure et d’utiliser des
composants industriels les plus représentatifs du marché.
Boîtier NI USB-6009 et LabVIEW : le tandem gagnant
pour l’enseignement
Le boîtier d’acquisition NI USB-6009 a été privilégié par rapport à
d’autres matériels pour sa facilité d’utilisation, son encombrement
réduit, son faible coût et son adéquation parfaite avec le
logiciel LabVIEW.
LabVIEW a été choisi d’une part car c’est le logiciel phare de
l’industrie notamment dans le domaine des chaînes de mesure
60 ni.com/france
Les étudiants en charge du projet sont en licence professionnelle
Métiers de la mesure, de l’instrumentation et des contrôles.
Enseignement
Quatre façons de traiter le signal de mesure analogique
Le signal de sortie est exploité dans quatre directions indépendantes.
Il est appliqué à l’entrée d’un voltmètre avec indicateur analogique
dont les graduations 0-5 V ont été remplacées par des graduations
0-500 N sachant qu’1 V en sortie de l’amplificateur correspond
à 100 N.
Le signal est aussi appliqué à l’entrée d’un voltmètre « maison »
doté d’un indicateur numérique dont le point a été supprimé. Il
indique donc 500 (Newtons) au lieu de 5,00 (volts).
Le signal est également transmis à un boîtier d’acquisition de
données NI USB-6009 relié à un ordinateur portable sur lequel
tourne une application LabVIEW. Il permet :
■■
■■
■■
■■
de visualiser la valeur instantanée et la valeur maximale de
l’effort à l’aide d’indicateurs de type « jauge »
de tracer l’évolution de l’effort en fonction du temps à l’aide
d’un graphique
de voir le classement des différents compétiteurs grâce à un
tableau qui se met à jour après chaque acquisition en fonction
du score et de la catégorie (homme, femme ou enfant) du
dernier participant
de déclencher une alarme en cas de meilleur score (sirène et
gyrophare) par l’intermédiaire de deux relais électromagnétiques.
Synoptique de la chaîne de mesure avec les matières
enseignées associées
Un fil rouge pédagogique et un excellent
démonstrateur pour la communication
Cette réalisation sert de fil conducteur à notre formation dans
les différentes matières couvertes (mécanique, résistance des
matériaux, électronique, capteur, instrumentation, systèmes
embarqués, LabVIEW…). Elle est présentée aux étudiants en
début de formation pour montrer la finalité de leur diplôme, puis
reprise pendant l’année pour situer chaque matière les unes par
rapport aux autres.
« Le boîtier d’acquisition NI USB-6009 a été privilégié par
rapport à d’autres matériels pour sa facilité d’utilisation,
son encombrement réduit et son faible coût. »
Enfin, le signal est traité par un microcontrôleur PIC 16F, équipé
d’un afficheur numérique, qui donne également la valeur instantanée
et la valeur maximale de l’effort sur un afficheur 4 digits. Il indique
les scores des autres compétiteurs selon leur catégorie et déclenche
l’alarme après appui sur un bouton pour attirer les spectateurs qui
n’auraient pas vu l’imposante machine !
Un projet motivant, reconnu par les professionnels
et la presse
Quatre étudiants ont travaillé sur ce projet de 100 heures.
Un binôme a développé la solution microcontrôleur et un autre
la solution basée sur LabVIEW et le boîtier d’acquisition de
données. L’autonomie était le maître mot. Ils avaient accès à la
documentation technique des composants utilisés ainsi qu’à des
ouvrages et des cours spécialisés dans les domaines concernés.
Ce projet pluridisciplinaire et appliqué à leur formation a motivé
et passionné les étudiants ; ce qui a favorisé leur réussite.
Le challenge était de terminer à temps leur travail pour le salon
Energaïa sur les énergies à Montpellier. Ce projet les a aidés dans
leur recherche de stage pour convaincre les professionnels du
secteur de s’intéresser à leur candidature.
Trois articles de presse, parus dans le Midi Libre, Direct Montpellier
(journal gratuit) et Esprit IUT (journal national des IUT), sont venus
couronner leur travail.
La machine sert également de démonstrateur
pour exposer le savoir-faire et les compétences
des diplômés de nos formations : le DUT
Mesures Physiques et la Licence PRO MMIC.
Elle est utilisée pour les salons étudiants, la
journée portes ouvertes et le site Web.
Vers un bras asservi en effort ou en position et une
photo souvenir
Actuellement le bras est fixe et ne mesure que la force des
compétiteurs. Nous allons faire évoluer notre machine en
simulant l’action d’un adversaire. Le bras sera articulé et équipé
d’un vérin hydraulique asservi en effort ou en position afin de
fournir un contre-effort. Il sera commandé, par l’intermédiaire
de la carte d’acquisition et d’un distributeur hydraulique, par une
application LabVIEW.
Un appareil photo équipé d’une mini imprimante sera intégré
prochainement pour prendre la photo du compétiteur en
pleine action.
Nicolas MARINO
IUT Mesures Physiques
99, avenue Occitanie
34296 Montpellier Cedex 5
Tél. : +33 (0)4 99 58 52 01 ou 50 60 (secrétariat)
Web : IUT Mesures Physiques :
web-mp.iutmontp.univ-montp2.fr/blogmp
Web : Licence professionnelle MMIC :
web-mp.iutmontp.univ-montp2.fr/lp
ni.com/france
61
Enseignement
Projet pédagogique d’automatisation d’un banc de
test à l'IUT Génie Électrique de Poitiers
Par Patrick LAGONOTTE, professeur à l’IUT de Poitiers
L’objectif :
La soLution :
Élaborer un projet pédagogique permettant d'appliquer certaines
notions abordées au programme de l'IUT Génie Électrique,
comme les systèmes linéaires maillés.
Développer un banc de test composé d'une centrale de mesure
pilotée par NI LabVIEW au travers d'une interface GPIB.
Concevoir et élaborer un bon sujet de projet pédagogique n’est
pas une affaire aisée. Un projet ne doit être ni trop simple ni trop
compliqué. Il ne doit pas non plus nécessiter des ressources
matérielles trop onéreuses. Un bon projet doit avoir une « approche
système » et mettre en œuvre différentes techniques dont
l’ensemble permettra le fonctionnement souhaité : câblage,
programmation LabVIEW, contrôle d’instruments de mesures, bus
GPIB (IEEE 488), face-avant ergonomique, etc. De plus, ce projet
nécessite d’effectuer une inversion matricielle qui illustre et utilise
le programme de mathématiques vu par les étudiants.
Une centrale de mesure pilotée sous LabVIEW
Un PC est équipé d’une carte PCI-GPIB, qui permet de piloter
une centrale de mesures Agilent 34970A équipée d’une carte
multiplexeur à 20 voies et d’une carte commutateur à matrice
4x8. Une alimentation stabilisée (0-15 V) est nécessaire pour
alimenter le montage et effectuer les mesures.
Généralement un langage de programmation fait partie de la
culture d’une entreprise, d’un établissement ou d’un laboratoire.
Le langage LabVIEW est très répandu dans l’industrie et la
recherche. Il y a plusieurs raisons à cela.
D’abord, la programmation filaire donne
« Le choix de LabVIEW est en phase avec la programmation
une visualisation des flux et des types
d’instruments de mesures et de contrôles dans l’industrie
d’informations traités par le programme.
et les laboratoires de R&D. »
Cette programmation devient réellement
ergonomique une fois que les fondamentaux
Pour illustrer le contrôle in situ d'une carte électrique ont été acquis. Ensuite, National Instruments encourage les
Des résistances ont été soudées sur un circuit imprimé pour
fabricants d’instruments à développer des « drivers LabVIEW »
obtenir un réseau maillé. En fin d’assemblage de l’ensemble, nous
afin que le logiciel puisse très facilement commander un ensemble
souhaitons contrôler que les valeurs des résistances sont bien à
d’appareils de marques hétérogènes. Les fabricants ont bien sûr
leur bonne place. Pour cela, nous devons déterminer la valeur de
tout intérêt à proposer des « drivers LabVIEW » permettant à
chaque résistance du réseau, sans avoir la possibilité d’accéder
leurs clients de mettre facilement et rapidement en œuvre leurs
individuellement à chacune d’elles, mais en ayant seulement un
appareils de mesure.
accès global à l’ensemble constitué. Cela correspond à un contrôle
in situ d’une carte en fin d’assemblage.
Un banc de mesures est constitué de trois parties :
■■
■■
■■
des instruments de mesures contrôlables par une interface
informatique, et qui effectuent l’acquisition de l’information
ou la délivrance de signaux appropriés
des communications (RS-232, RS-485, GPIB, USB, LAN, etc.)
qui permettent de transmettre ou d’échanger des informations
d’un programme informatique qui donne de manière
séquentielle des ordres aux différents instruments, afin
que ces derniers établissent des signaux et renvoient les
mesures effectuées, et qui effectue le traitement des
diverses informations reçues pour présenter un affichage
de manière synthétique.
Le programme informatique a donc un rôle de chef d’orchestre
entre les différents instruments. Son rôle est fondamental dans le
fonctionnement et la gestion du système, et le logiciel LabVIEW
est particulièrement adapté à ce type d’application.
62 ni.com/france
Des résistances ont été soudées sur un circuit imprimé
pour obtenir un réseau maillé.
Le choix de programmer avec LabVIEW est en phase avec la
programmation d’instruments de mesures et de contrôles dans
l’industrie et les laboratoires de R&D. C’est l’occasion pour les
Enseignement
étudiants de découvrir un langage de programmation graphique
(langage G), et de programmer le contrôle d’instruments
de mesures.
une initiation à la programmation LabVIEW d’instruments de
mesures en utilisant les drivers développés pour la mise en
œuvre rapide de ces systèmes.
Schéma unifilaire de l’installation
Boîtier intégrant le réseau maillé de résistances
Un système d’instrumentation est souvent réalisé par
l’assemblage de différents matériels de marques hétérogènes,
dont le fonctionnement doit être parfaitement orchestré au niveau
informatique. Ces systèmes sont omniprésents dans l’industrie et
dans la recherche. Le choix d’un instrument de mesures n’est plus
uniquement lié à sa précision et à son coût, mais de plus en plus
aussi à son interfaçage et aux logiciels pouvant faciliter son utilisation.
Ce projet fait appel à des connaissances très diverses et variées
devant se combiner pour arriver à un système opérationnel.
Les erreurs classiques à éviter en
programmation LabVIEW
Une erreur généralement commise par les étudiants est d’oublier
que l’information circulant sur les liaisons est identique à celle de
l’électronique (analogique ou numérique 2 états). Si l’on veut éviter
tout conflit, il faut toujours et obligatoirement avoir un seul et unique
générateur au niveau d’une liaison. Une autre difficulté concerne le
passage de l’information dans les structures à l’aide de variables
locales de séquence. Enfin une dernière difficulté concerne, dans le
cas de la commande de plusieurs appareils interfacés, l’utilisation
de plusieurs bus d’adresse (un par appareil de mesures) avec un
seul bus d’erreur. Mais ces difficultés sont rapidement surmontées
et la technique vite maîtrisée.
Diagramme de la programmation sous LabVIEW
Patrick LAGONOTTE
IUT-GEII
14, allée Jean Monnet
BP 389
86010 Poitiers Cedex
Web : www.iutp.univ-poitiers.fr
Schéma du montage à tester
Plusieurs notions réunies en un seul projet
Ce projet est très simple en apparence, mais il est de fait
très formateur. Il permet l’approfondissement des systèmes
linéaires maillés. Les notions fondamentales présentées aux
étudiants permettent d’effectuer le traitement de l’information
nécessaire après les mesures. Ce projet permet également de
découvrir l’utilisation d’appareils de mesures au travers d’un bus
d’instrumentation et de sa programmation. Il permet d’effectuer
ni.com/france
63
Enseignement
Banc de validation d’instruments de mesure
de vent, développé par des lycéens
Par Lionel COMTET, Enseignant en Génie Électrique, Lycée Jules Viette de Montbéliard
L’objectif :
La soLution :
Valider des instruments et une interface graphique permettant
d’acquérir et de traiter des données, dans le but d’effectuer une
campagne de mesures de vent sur un secteur faiblement venté,
tout en respectant les normes Météo-France.
Acquérir les données de vitesse et de direction du vent via une
carte NI PCI-6601 et créer, avec l’environnement NI LabVIEW, une
plate-forme de visualisation et d’enregistrement de ces données.
Le Lycée Viette de Montbéliard s’est lancé, via son club scientifique,
le défi d’implanter une éolienne de quelques kilowatts en son sein
d’ici fin 2013, sur un site dit « faiblement venté ». L’Atlas éolien
donne en effet, pour Montbéliard, une vitesse moyenne de vent
de 2,9 m/s à 10 mètres du sol et 4,4 m/s à 50 mètres. Or, on
considère que pour assurer la rentabilité économique d’une éolienne,
la vitesse moyenne de vent doit être d’au moins 6 m/s.
Connaître avec précision le vent sur le site
La puissance du vent varie avec le cube de sa vitesse et sa
variabilité d’un jour à l’autre - voire d’un mois à l’autre - ne permet
pas d’estimer correctement une production d’énergie électrique
annuelle avec une campagne réalisée sur une courte période.
Cependant, le plateau d’implantation envisagé, bien dégagé dans
la direction des vents dominants, ainsi que la découverte de la
fabrication de nouvelles éoliennes spécialement conçues pour de
faibles vents, nous conduisent à envisager ce projet avec optimisme.
Pour s’assurer de la pertinence du projet et convaincre les partenaires
financiers, il faut apporter la preuve que le potentiel éolien est
suffisant. L’implantation d’un mât au cours de l’année 2011 doit
permettre, avec les instruments adaptés, d’effectuer une campagne
de mesures sur une longue période et donc d’estimer au plus juste
une production d’énergie électrique annuelle.
La mesure de vitesse du vent fait appel à un moulinet Météo-France
couplé à un tambour crénelé et associé à un capteur optique à fourche.
Le choix d’effectuer une campagne de mesures sur un an est
conditionné par la volonté de Météo-France de mettre à notre
disposition ses relevés de plusieurs décennies d’une station située
à 600 mètres du site retenu pour l’implantation de l’éolienne.
Une comparaison entre leurs relevés et les nôtres, lors de la
prochaine année, doit nous permettre d’estimer le vent sur une
année moyenne et d’en déduire le potentiel éolien correspondant.
Afin que les résultats soient comparables, il nous faut adopter les
normes Météo-France, à savoir des mesures de vent effectuées à 10
mètres au-dessus du sol, deux fois par seconde, avec une résolution
de 0,1 m/s pour la vitesse du vent et de 10° pour la direction.
Un mât de mesures équipé de deux anémomètres
et d’une girouette
La conception du mât de mesures a été effectuée sous modeleur 3D
et a permis de valider les dimensions et sa résistance aux éléments.
L’équipe des trois élèves qualifiés pour la finale des Olympiades des
Sciences de l’Ingénieur 2011
64 ni.com/france
Afin de pouvoir extrapoler la vitesse de vent à différentes hauteurs,
le choix a été fait d’implanter deux anémomètres (un à 6 mètres
du sol et l’autre à 10 mètres). Les anémomètres sont composés
de moulinets à trois coupelles et sont identiques à ceux utilisés
par Météo-France.
Enseignement
La direction du vent sera obtenue par le positionnement d’une
girouette dont les caractéristiques dimensionnelles et massiques
sont identiques à celles de Météo-France.
Le banc de test a permis de valider les différents instruments
de mesure ainsi que la partie logicielle réalisée sous LabVIEW.
Les normes Météo-France sont respectées et l’acquisition des
données sur une année est désormais
à réaliser. Le mât de mesures va être
rubrique d’aide
implanté cet été 2011.
« Les nombreux exemples présents dans la
de LabVIEW ont permis de développer une application
fonctionnelle et visuelle très rapidement. »
Des données issues de capteurs optiques
Afin d’acquérir la vitesse du vent, un tambour crénelé, fixé sur l’axe
du moulinet défile entre l’émetteur et le récepteur d’un capteur
optique à fourche. La vitesse de vent sera déduite de la fréquence
des impulsions obtenues. L’acquisition de ces impulsions via une
carte NI PCI-6601 a permis aux élèves du club scientifique de
traiter ces données et de les stocker via le logiciel LabVIEW.
L’acquisition de la direction du vent suivra le même principe que
pour la vitesse du vent. La girouette sera couplée mécaniquement
à un codeur optique absolu 6 bits dont les sorties sont codées en
code de Gray.
Le programme développé sous LabVIEW permet de décoder le code
de Gray pour reconstituer la position angulaire de la girouette et la
visualiser sur un graphe polaire présent sur l’écran de l’ordinateur.
En finale des Olympiades des
Sciences de l’Ingénieur
Le choix a été fait par l’équipe enseignante de présenter ce projet aux
Olympiades des Sciences de l’Ingénieur 2011. L’équipe, constituée
de trois élèves de Terminale S Sciences de l’Ingénieur, a présenté
ces travaux en mars 2011 à la finale académique à Besançon et
s’est qualifiée pour la finale nationale qui a eu lieu sur le site de
PSA de Poissy en mai 2011.
Un partenariat fort avec NI avec des améliorations
pour l’avenir
La réalisation de ce banc ainsi que la participation à ces Olympiades
ont permis au lycée Viette d’établir un partenariat fort avec
National Instruments et ont débouché notamment sur du sponsoring
logiciel et matériel ainsi que sur une aide technique par la mise en
place de formations LabVIEW au sein de notre établissement.
Malgré des connaissances inexistantes sur le logiciel LabVIEW,
la facilité d’utilisation du langage graphique, la bibliothèque de
fonctions, de commandes et de sous-VIs, ainsi que les nombreux
exemples présents dans la rubrique d’aide ont permis aux membres
du club scientifique - des élèves de Terminale S Sciences de
l’Ingénieur du Lycée - de développer une application fonctionnelle
et visuelle très rapidement.
Banc de validation de l’instrumentation de mesure de vitesse du vent
La mesure de la direction du vent fait appel à une girouette couplée
à un codeur optique.
Un banc de test pour valider l’instrumentation et
le logiciel de traitement
Un banc de test, construit au Lycée, a permis de mettre en œuvre
les différents éléments afin de valider leurs choix ainsi que la partie
logicielle. Afin de tester la mesure de vitesse, l’axe du tambour
crénelé a été couplé mécaniquement à un moteur à courant continu
dont le pilotage, à vitesse variable, sera effectué via le logiciel
LabVIEW. Le test de la direction sera effectué via un moteur
pas-à-pas dont l’axe est couplé mécaniquement au codeur
optique absolu et piloté également par le logiciel LabVIEW.
Des perspectives d’amélioration ont déjà germé avec la mise en
place d’une plate-forme virtuelle permettant de relier le logiciel
LabVIEW au logiciel de modeleur 3D afin de gagner encore en
efficacité lors de la phase d’études. De plus, la réflexion d’implanter
un matériel NI CompactRIO au niveau de l’armoire de traitement
des données nous permettrait de nous affranchir d’une implantation
de postes informatiques traitant les données en temps réel.
François LACHAMBRE, Corinne POUDEROUX, Lionel COMTET
Lycée Jules Viette
1B, rue Pierre Donzelot
25200 Montbéliard
Tél. : +33 (0)3 81 99 84 84
Web : www.lyceeviette.fr
ni.com/france
65
Enseignement
Simuler les instruments embarqués pour la
formation des sous-mariniers
Par Matthieu GOURSSIES, Business Line « Systèmes Opérationnels », NEXEYA SYSTEMS
L’objectif :
La soLution :
Permettre au Centre d'Instruction Naval (CIN) de Saint-Mandrier
(Toulon) de former les futurs sous-mariniers aux équipements
embarqués sur les bâtiments et sous-marins de la Marine.
Développer sous NI LabVIEW plusieurs simulateurs d’équipements
embarqués associés à un éditeur d’environnement.
NEXEYA SYSTEMS, qui conçoit, teste, fabrique et maintient des
équipements et des systèmes critiques sur mesure a élaboré pour
le Centre d'Instruction Naval (CIN) des simulateurs reproduisant
des équipements embarqués sur les bâtiments et sous-marins de
la Marine. Ces simulateurs sont installés à l’école des sous-mariniers
de Toulon, ils permettent de former les futurs sous-mariniers et de
qualifier les équipages avant une sortie en mer.
L’ensemble est composé de plusieurs modules :
■■
un simulateur d’environnement (SATURNE)
■■
un détecteur de sonar (simulateur DUUG)
■■
un radar de navigation (simulateur DRUV)
■■
plusieurs équipements de guerre électronique (simulateurs
ARUR) dont un analyseur d’interception DALIA, un intercepteur
goniométrique IVC et un intercepteur omnidirectionnel
ASTRAGALE.
Simulateur DRUV – console du radar de navigation Kelvin Hughes KH-1007
Simulateur DUUG – détecteur de sonar
Tous ces simulateurs ont été développés sous LabVIEW. L’équipe
projet mise en place par NEXEYA SYSTEMS était composée
d’experts en ingénierie navale (anciens sous-mariniers) associés
à des développeurs certifiés. Le choix de LabVIEW s’est fait
naturellement car les versions les plus récentes proposent
désormais tous les outils nécessaires au développement des
grands projets complexes (programmation orientée objet, gestion
de configuration, traçabilité des exigences, outils de tests unitaires,
suivi des anomalies, etc.). La vaste bibliothèque d’objets graphiques
et la possibilité de personnalisation de ces objets nous ont permis
de développer des Interfaces Homme-Machine (IHM) quasiment
identiques à la face-avant des équipements à simuler.
Architecture générale et principe de mise en œuvre
Le nom des modules suit la codification OTAN des équipements
marine qu’ils simulent. Par exemple, le simulateur DRUV
correspond à :
■■
1ère lettre pour le domaine d'emploi (D = Détection)
■■
2ème lettre pour la technologie (R = Radiofréquence)
■■
3ème lettre pour la plate-forme (U = Sous-marin U-Boat)
■■
4ème lettre pour la fonction (V = Veille).
66 ni.com/france
L’architecture repose sur un modèle client/serveur ou
producteur/consommateur. Le serveur (le poste instructeur)
produit les données d’environnement qui sont consommées
par les clients (les simulateurs d’équipements).
L’application SATURNE, par exemple, permet à l’instructeur de
définir l’environnement et les caractéristiques du Sous-marin
Nucléaire d’Attaque (SNA).
Enseignement
Simulateur ARUR – analyseur d’interception DALIA
L’interface de SATURNE permet notamment de régler les
conditions de mer et de météo (fond, visibilité, etc.) et les
conditions de navigation du SNA (zone, vitesse, cap, etc.).
L’instructeur peut également configurer des stimuli dans
l’environnement et notamment :
■■
■■
gérer des porteurs : type (air, surface ou sous-marin),
cinématique et position, affectation de sonars et/ou de
radars et/ou de systèmes d’armes
gérer des sonars et des radars : type, modèle, cadencement,
niveau, fréquence, etc.
Il peut aussi gérer des bathys, de la DSM, des armes, des
antennes, etc.
Simulateur ARUR – intercepteur goniométrique IVC
Le simulateur DUUG émule un détecteur de sonar grâce à des
hydrophones positionnés sur le sous-marin. Les opérateurs du
sonar sont les détecteurs anti-sous-marins. Ils doivent être capables
de reconnaître des phénomènes acoustiques et de classifier les
bâtiments en écoutant les bruits qu'ils émettent. Le simulateur
génère des émissions sonar sur sortie audio du PC, l’élève peut
soit suivre les détections automatiques affichées sur la face-avant
de l’appareil, soit à l’aide d’un casque, faire lui-même l’analyse
du bruit.
Les simulateurs ARUR permettent, quant à eux, de faire travailler
les élèves sur des intercepteurs et analyseurs d’ondes radars reçues.
Ces détecteurs de guerre électronique permettent de localiser et
d'identifier les radars ennemis.
En conclusion, ce projet démontre non seulement qu’il est
possible de développer des logiciels complexes en LabVIEW,
à condition de suivre une méthodologie de développement
rigoureuse, mais aussi que LabVIEW
ne se cantonne pas forcément aux
« LabVIEW propose désormais tous les outils nécessaires
développements d’applications de
pour développer des grands projets complexes. »
test et mesure.
Une fois le scénario décrit, l’instructeur peut démarrer la
simulation sur le PC instructeur. SATURNE distribue les
informations d’environnement aux différents équipements au travers
d’un réseau local. Chaque élève se situe sur un PC exécutant le
simulateur d’un équipement. Le but est de faire réagir les élèves
et de les familiariser à l’ergonomie des systèmes.
Des simulateurs reproduisant fidèlement le
comportement réel
Chaque simulateur reproduit fidèlement le comportement
du système réellement embarqué dans le SNA.
Matthieu GOURSSIES
NEXEYA SYSTEMS (ex EURILOGIC)
24, avenue de Pasleck
16400 La Couronne
Tél. : +33 (0)5 45 24 87 10
Web : www.nexeya.fr
Par exemple, le simulateur DRUV simule la console du radar de
navigation Kelvin Hughes KH-1007 positionné sur le mât du
périscope. L’élève peut accéder aux différentes fonctions de la
console en naviguant au travers des menus de manière identique
à la console réelle. Il est ainsi possible de visualiser la vidéo radar,
d’identifier les plots radars, de monter des pistes air ou surface,
d’afficher les vecteurs vitesses, de tracer des lignes ou des symboles,
ou bien de charger une carte.
ni.com/france
67
Enseignement
Caractérisation d’un matériau par analyse
fréquentielle d’une réponse à un choc
Par Jérôme HENNECART, Didier MORAUX, Université de Valenciennes, Département d'IUT Mesures Physiques, Maubeuge
L’objectif :
La soLution :
Déterminer le module de Young d'une barre métallique par une
analyse fréquentielle de la fonction de transfert d'une réponse
à un choc.
Utiliser un NI CompactDAQ associé à une carte d'acquisition
permettant une connexion directe des capteurs d'accélération
et de force. Développement rapide à l'aide de NI LabVIEW et
des composants NI-DAQmx.
Le département Mesures Physiques de l'IUT de Valenciennes,
situé sur l'antenne de Maubeuge, disposait d'un matériel d'acquisition
permettant d'obtenir la réponse en fréquence de la fonction de
transfert d'une barre sollicitée par un choc. Ce matériel était utilisé
dans le cadre de travaux pratiques d'analyse vibratoire afin de
montrer aux étudiants une méthode de caractérisation du module
d'élasticité d'un matériau.
exactement au besoin et un matériel d'acquisition adapté aux
capteurs disponibles. De plus, il fallait que l'interface proposée
puisse remplir une fonction pédagogique d'apprentissage des
différents paramètres d'analyse (fréquence d'échantillonnage,
nombre d'échantillons, fenêtre de pondération...).
L'idée de développer nous-mêmes l'application nous sembla
la meilleure des réponses à notre problème car elle était
parfaitement adaptée au travail expérimental que doivent réaliser
les étudiants. Il fallait aussi que sa conception soit rapide.
LabVIEW apparut comme « la réponse » à notre problématique.
Il permet un développement rapide, propose une carte d'acquisition
NI 9234 permettant une connexion directe des capteurs en intégrant
l’alimentation IEPE et le conditionneur. De plus, les étudiants du
département devant suivre des modules de formation en
informatique, informatique d'instrumentation et électronique
d'instrumentation, notre investissement est réutilisable.
Le département s'est donc équipé de LabVIEW et d'un ensemble
de matériels permettant la mise en place de nombreux travaux
pratiques incluant l'expérimentation dont nous parlons.
La mise en œuvre de la solution
Banc d’essai
Le banc expérimental inclut un PC sous Windows 7, un châssis
cDAQ-9172, une carte NI 9234, un marteau avec capteur de force,
une barre d'acier et un accéléromètre.
Le système d'acquisition était très ancien et vieillissant : ordinateur
et logiciel sous DOS, conditionneur de capteur nécessitant une
alimentation et des réglages et carte d'acquisition analogique interne
à l'ordinateur. Toute panne sur celui-ci aurait mis en péril ce banc
expérimental, car le système n'aurait pas été réparable. Il fallait
donc trouver une solution alternative permettant de moderniser
cette manipulation. Il fallait aussi pouvoir conserver les capteurs
utilisés, marteau avec capteur de force et accéléromètre fixé sur
une barre d'acier, afin de réutiliser le montage déjà réalisé.
La recherche des solutions
Le premier réflexe fut de regarder les matériels dédiés à ce type
d'expérimentation qui existent actuellement sur le marché. Des
solutions étaient envisageables, mais les tarifs étaient élevés, les
ensembles de mesure étaient livrés « clé en main », ne permettant
pas toujours une réutilisation de notre banc d'essai, et les applications
proposées présentaient souvent des fonctionnalités que les étudiants
n'utiliseraient jamais. Il fallait donc trouver une application répondant
68 ni.com/france
Capteur d’accélération piézoélectrique
Enseignement
Le développement de l'application fut rapide. En effet, les
composants NI-DAQmx permettent de piloter facilement la
carte NI 9234 et de faire une acquisition simultanée de la force
et de l'accélération. La carte intègre un réglage de la sensibilité
des capteurs ainsi que leur alimentation. La configuration de
l'acquisition est rendue extrêmement simple par un ensemble de
boîtes de dialogue dont les paramètres se règlent intuitivement.
L'utilisation du composant FRF d'une réponse d'un système
permet d'obtenir immédiatement les graphiques de la réponse
fréquentielle souhaitée. Il permet en outre de nombreux réglages
comme le fenêtrage. L'application affiche la réponse temporelle
des capteurs ainsi que le spectre d'amplitude et de phase de la
fonction de transfert.
Face-avant LabVIEW
Évolution future
La première évolution qui peut être faite rapidement consiste à
effectuer une acquisition en continu avec un buffer permettant
une pré-acquisition afin de détecter « logiciellement » l'instant où
le choc se produit. L'application pourra alors cadrer parfaitement la
partie utile des signaux accélération et force.
La seconde amélioration consiste à utiliser un châssis permettant
un déclenchement matériel de l’acquisition afin d'éviter de faire
une acquisition en continu.
Conclusion
Marteau avec capteur de force piézoélectrique
Les matériels et logiciels National Instruments nous ont permis
de reproduire rapidement un banc de mesure et de le faire
évoluer. La facilité de mise en œuvre et la richesse des cartes
d'acquisition proposées permettent la réalisation de nombreux
travaux expérimentaux réalisés dans les départements Mesures
Physiques des IUT.
« Nous utilisons LabVIEW depuis deux ans avec les étudiants.
L'expérience semble montrer que ceux-ci sont beaucoup
plus réceptifs à ce type de langage. »
Le point un peu plus délicat à mettre en œuvre est le déclenchement
de l'acquisition. Pour le moment, un voyant en face-avant indique
à l'utilisateur le moment où l'acquisition se déclenche l'informant
qu'il doit stimuler le système par un choc. Cette solution, bien que
provisoire, donne déjà d'excellents résultats parfaitement exploitables.
Le fait d'afficher les deux signaux temporels (force et accélération)
est d'un point de vue pédagogique important car permettant de
mettre en évidence des défauts de manipulation comme un rebond
par exemple.
Nous utilisons LabVIEW depuis deux ans
avec les étudiants. L'expérience semble
montrer que ceux-ci sont beaucoup plus
réceptifs à ce type de langage. À l'issue de
la formation, les étudiants seront capables
de réaliser une acquisition et un traitement
du signal.
Jérôme HENNECART
Département Mesures Physiques
IUT de Valenciennes
Antenne de Maubeuge
ZI du Champ de l’Abbesse
59600 Maubeuge
Tél. : +33 (0)3 27 53 17 70
Web : www.univ-valenciennes.fr
ni.com/france
69
Validation automatique de tableaux de bord chez
Magneti Marelli
Par Valérie HELLEQUIN-BOUQUET, ALL4TEC
L’objectif :
La soLution :
Automatiser les tests pour valider automatiquement les tableaux
de bord grâce à une chaîne d’outils intégrée.
Allier l’outil MaTeLo et les produits National Instruments pour
construire un système fiable, automatisé, évolutif et intégré.
Magneti Marelli est une entreprise internationale dont l’activité est
la conception et la production de composants et de systèmes de
haute technologie pour les secteurs de l’automobile. Le service
Testing du Centre de Recherche & Développement de la société
se trouve sur le site de Châtellerault. Cette entité rassemble six
personnes et a pour mission la mise en place des moyens de
validation automatique des tableaux de bord.
NI PXI-1408 associée à quatre caméras. Le huitième banc,
fabriqué en 2010 est identique, mais utilise des technologies
plus récentes.
Une solution de test basée sur les modèles
Au début des années 2000, le service avait comme projet global
le développement et la validation d’une plate-forme de test
commune pour tous les tableaux de bord.
En interne, l’équipe était sensibilisée à la démarche « processusorganisation-méthodologie ». Elle s’est donc mise à la recherche
d’un outil capable de répondre à ses besoins. La solution est
d’utiliser l’approche Model-Based Testing, ou approche basée
sur les modèles : après l’établissement du modèle décrivant le
système, des cas de test sont générés automatiquement. À partir
de ces cas de test, l’utilisateur compare le comportement réel et
le comportement attendu.
C’est ainsi que Magneti Marelli a participé au projet pilote MaTeLo
et a contribué depuis ces années à l’évolution de l’outil. Développé
par ALL4TEC, MaTeLo est une solution de test pour la conception
de cas de test fonctionnels dédiée à la validation. Il est important
de noter cette démarche innovante, car aujourd’hui encore, l’approche
Model-Based Testing est peu déployée dans l’industrie.
Le système mis en place allie du matériel et du logiciel.
Pour tester ses tableaux de bord, Magneti Marelli utilise huit bancs
comme celui-ci, basés sur la technologie PXI.
Les testeurs stimulent et/ou simulent
les entrées/sorties du système sous
«Les cas de test sont transcrits directement en séquences
test (SUT). Grâce aux caméras et aux
exécutables pour le logiciel d’automatisation de tests
images reçues, l’opérateur compare
NI TestStand.»
les résultats avec un fichier référence
et ainsi valide ou non le produit testé.
Huit bancs de test automatiques basés sur le PXI
L’équipe utilise les logiciels de programmation NI LabVIEW
Le service dispose de huit bancs de test (ou testeurs), tous
et NI LabWindows/CVI, ainsi que le Toolkit LabVIEW Vision
construits sur des architectures PXI, technologie très répandue.
pour interagir avec les matériels.
Développés au début des années 2000, sept bancs sont
Des modèles construits en parallèle de la conception
composés chacun d’un châssis NI PXI-1010 qui a la particularité
Les tableaux de bord sous test proviennent de multiples constructeurs
d’intégrer des modules de conditionnement des signaux, d’une
automobiles. L’ensemble « validation d’un tableau de bord »
carte d’interface CAN, d’une alimentation GPIB, d’une carte
peut durer jusqu’à trois ans entre l’énoncé des exigences, le
matrice de commutation, d’une carte relais NI SCXI-1163, d’une
développement, le redesign, les tests et la validation. L’équipe
carte à résistance variable fabriquée en interne, d’une carte
oscilloscope NI PXI-5112, et d’une carte d’acquisition d’images
70 ni.com/france
construit les modèles en parallèle de la conception du produit
et valide au fur et à mesure, jusqu’à l’implémentation totale.
Actuellement, elle gère quatre projets simultanément, met à jour
et valide les anciens programmes en fonction des demandes
d’évolution des clients. Le nombre d’états d’un modèle varie de
1500 à 6000.
Le service Testing maîtrise l’outil MaTeLo et a grandement collaboré
à sa maturité. Depuis sa mise en place, une quinzaine de projets a
été réalisée. Les ingénieurs se sont formés en interne et sont force
de proposition pour la mise en place de nouvelles fonctionnalités.
Ils souhaitent aller plus loin dans l’utilisation des statistiques sur la
couverture de test disponible dans le logiciel, fonction encore
sous-utilisée.
Magneti Marelli teste les afficheurs (LCD, matrices actives, TFT,
monochromes ou couleurs…), les voyants, les aiguilles, les jauges,
les messages d’avertissement (en plusieurs langues), les signaux
sonores… La durée moyenne d’exécution d’une campagne de test
est d’une semaine, 24 h/24.
Des cas de test générés à partir des modèles d’usage
Le logiciel IBM Rational DOORS a été choisi comme outil de
spécifications des exigences. À partir des exigences constructeurs
retraduites en exigences systèmes internes, MaTeLo formalise
des modèles d’usage, génère les cas de test et analyse les
résultats de la campagne. Le nombre d’exigences contenu
dans un modèle MaTeLo s’étend de 500 à 1200. La durée
de conception des modèles varie de trois à six mois selon
le constructeur automobile.
L’équipe de test établit différents scénarios possibles et affine
sa stratégie tout au long du projet. Les cas de test sont ensuite
transcrits directement en séquences exécutables pour le logiciel
d’automatisation de tests NI TestStand.
Ainsi, tous les produits Magneti Marelli tableaux de bord sont
validés automatiquement. Les résultats sont consignés dans un
rapport de test avec un lien hypertexte vers les images vision ou
les fichiers audio en cas d’écart avec les résultats attendus.
L’équipe analyse le rapport, effectue un diagnostic et le suivi des
défauts. On obtient une «toolchain» complète : un ensemble
d’outils opérationnel et efficace. Les rapports des campagnes
sont remis au coordinateur des tests en relation avec l’équipe
design qui assure le contact avec le client.
Plus les validations sont nombreuses, plus la
modélisation est rentable
L’utilisation de MaTeLo est visuelle, hiérarchique et conviviale.
L’ingénieur de test génère des cas de test différents pour chaque
campagne de test, les fait évoluer et ainsi observe les nouveaux
défauts dans le produit sous test.
MaTeLo est le pivot qui a permis le développement d’un ensemble
complet d’outils pour faire le suivi d’exigences, du développement
du code jusqu’à la validation du produit.
Un outil rapide à prendre en main
Il faut entre deux à quatre semaines à un nouvel utilisateur pour
prendre l’outil en main. Mais il faut compter environ trois mois
pour maîtriser l’ensemble de la chaîne de validation.
Aujourd’hui, l’équipe Testing fait évoluer les bancs et enchaîne les
tests. Ses membres transmettent leurs savoirs et leurs expériences
aux équipes Magneti Marelli situées en Italie ou encore en Inde
tout en restant les référents en matière de validation automatique.
Valérie HELLEQUIN-BOUQUET
ALL4TEC
2-12, rue du Chemin des Femmes
Immeuble Odyssée – Bât. E
91300 Massy
Tél. : +33 (0)1 80 750 755
Web : www.all4tec.net
Magneti Marelli réalise des tests manuels, automatiques et
prédéfinis. Les tableaux de bord étant de plus en plus complexes
et évolutifs, le nombre de validations est très conséquent. Le
temps consacré à la modélisation est d’autant plus rentabilisé
que les validations sont nombreuses.
ni.com/france
71
Gestion d’obsolescence d’un bus avionique en
FPGA avec la carte NI FlexRIO chez Thales
Par Jeremy MICHEL, DT2E
L’objectif :
La soLution :
Développer une ressource pour la validation d’un bus avionique
pour les équipements produits par Thales Avionics.
Utiliser les cartes FlexRIO et la puissance des FPGA embarqués
pour piloter des modules d’adaptation spécifiques tout en profitant
de la robustesse, de la modularité et de l’évolutivité d’un châssis
PXI avec un contrôleur sous environnement partagé, avec
hyperviseur, entre Linux et RTOS.
technologie FPGA de National Instruments. Cette solution utilise
les modules FlexRIO qui offrent l’avantage d’être directement
intégrables à l’environnement PXI des moyens de test de Thales
Avionics. Les autres avantages de ces modules sont la puissance
de calcul disponible sur le FPGA, les mémoires haute vitesse
associées à celui-ci et les nombreuses
entrées/sorties numériques disponibles
en face-avant des modules permettant
« L’architecture des modules FlexRIO permet d’intégrer
facilement des éléments logiciels et matériels spécifiques. » de s’interfacer avec de l’électronique
spécifique. De plus, l’intégration de ces
modules dans l’environnement de test a
de privilégier des ressources de test et de validation matérielles et
été grandement facilitée par l’utilisation des variables partagées.
logicielles disponibles « sur étagère ». Ce choix a conduit Thales
Celles-ci transitent depuis l’interface utilisateur sous Windows
Avionics à choisir une technologie basée sur des ressources
jusqu’au cœur du FPGA qui exécute l’applicatif de la ressource.
compatibles avec le format PXI garantissant la robustesse, la
Des spécifications jusqu’au test
modularité et l’évolutivité nécessaire à ce type d’application.
Les données de simulation et de validation sont définies au format
XML. Il s’agit du même format de fichier utilisé pour la spécification
Dans la majorité des cas, les cartes et ressources présentes en
du code embarqué intégré dans les équipements avioniques de
catalogue répondent largement aux besoins. Cependant, pour la
Thales. Cette similitude dans les fichiers permet de réduire le temps
génération ou l’acquisition de signaux ayant des caractéristiques
de conversion ou les erreurs de traduction vers l’applicatif de test.
non standard, ou pour certains bus exotiques, il est nécessaire
de développer des ressources spécifiques.
Dans le domaine de l’aéronautique, la durée de vie des
équipements avioniques est très importante (plusieurs décennies).
Durant toute cette période, leurs moyens de test associés doivent
être maintenus en condition opérationnelle et rester toujours aussi
performants. C’est dans ce contexte que Thales Avionics a décidé
La polyvalence d’un environnement modulaire
L’environnement PXI des moyens de test de Thales Avionics est
basé sur l’utilisation d’un contrôleur PXI avec hyperviseur. Celui-ci
exécute donc en parallèle un système d’exploitation Linux ainsi
que RTOS de National Instruments. Spécifique à Thales Avionics,
le système d’exploitation Linux a été optimisé pour répondre à des
besoins d’interfaçage et de simulation de ressources avioniques.
Le système d’exploitation temps réel de NI permet, quant à lui, de
piloter d’autres ressources spécifiques et d’exécuter des applications
NI LabVIEW Real-Time. L’ensemble des OS est piloté par un PC
distant sous environnement Windows. L’application de test, basée
sur le séquenceur de tests NI TestStand, envoie des requêtes aux
deux environnements (requêtes TCP/IP et variables partagées
réseaux) permettant le pilotage de l’ensemble des ressources
à partir d’une seule et unique interface utilisateur conviviale.
De l’interface utilisateur jusqu’à la ressource
Pour répondre à un besoin spécifique en validation d’un bus
avionique, dont les ressources de test historiques étaient
devenues obsolètes par leur conception matérielle et logicielle,
DT2E a proposé et développé une solution basée sur la
72 ni.com/france
Un module d’adaptation intégrable en face-avant des modules FlexRIO
a été développé spécifiquement par DT2E pour adapter les signaux du
domaine numérique vers le domaine analogique et vice versa.
Ces fichiers de spécification sont convertis sous forme de vecteurs
et peuvent être à la fois statiques et dynamiques selon la manière
dont ils ont été spécifiés dans le fichier XML.
Une architecture ouverte
L’architecture des modules FlexRIO permet d’intégrer facilement
des éléments logiciels et matériels spécifiques.
Le programme embarqué dans le FPGA est développé avec
l’environnement LabVIEW FPGA. La gestion bas niveau des
éléments matériels spécifiques connectés en face-avant des
modules (C N/A, C A/N,…) est codée directement en VHDL. Le
code LabVIEW FPGA est dévolu à la gestion des échanges de
données avec le programme temps réel, à la gestion DMA des
mémoires et au séquencement global de l’applicatif de test.
Un module d’adaptation a été développé spécifiquement par
DT2E. Celui-ci adapte les signaux du domaine numérique vers
le domaine analogique et vice versa (C N/A, C A/N). Le facteur
de forme du module lui permet d’être directement intégrable
en face-avant des modules FlexRIO et donc d’un châssis PXI.
Des contraintes respectées
La ressource devait répondre à un nombre de contraintes important.
Mécaniquement, celle-ci s’interface facilement en face-avant d’un
châssis PXI et occupe donc un minimum de place dans le moyen de
test complet. Logiciellement, son environnement de développement
ouvert et convivial lui offre l’avantage d’être aisément évolutif.
Fonctionnellement, l’asservissement en temps réel des niveaux
électriques des signaux lui permet d’atteindre une grande précision
en génération et d’être insensible aux variations thermiques et au
vieillissement de ses composants.
Jeremy MICHEL
DT2E
55, allée de Mégevie,
33170 Gradignan
Tél. : +33 (0)6 82 39 80 84
Web : www.dt2e.com
ni.com/france
73
Solution HIL au service de la validation d’unités
électriques embarquées
Par Stéphane OLEVIER et Nicolas BORDELET, EMC
L’objectif :
La soLution :
Réduire les coûts et les délais de développement de prototype
liés à la validation des unités de contrôle électronique et de
calculateur électronique.
Concevoir un banc HIL (Hardware-in-the-Loop) avec un châssis
PXI piloté avec NI LabVIEW Real-Time.
Le cœur de métier d’EMC réside dans les essais et la mise au
point de moteurs dans l’automobile, l’aéronautique et le ferroviaire.
C’est pourquoi nous avons sélectionné la technologie NI et équipé
ACHIL d’une IHM LabVIEW pour le contrôle des bancs et la rédaction
automatique des scripts.
Les enjeux de ces secteurs s’évaluent en termes de délais, de
coûts et de résultats. Nous avons donc développé une solution
fiable, économique et rapide pour répondre aux besoins de
validation de contrôle moteur.
LabVIEW Real-Time contrôle le moteur d’exécution sur cible
déportée 12 cœurs pour le calcul des modèles sous MATLAB
et LabVIEW, et réalise automatiquement les scripts.
L’ensemble pilote un châssis PXI pour le
matériel. Ce dernier comprend une carte
CAN pour la communication, une carte
numérique pour la gestion de relais, une
carte analogique pour simuler les capteurs
et une carte FPGA pour le fonctionnement de la boucle synchrone
avec le calculateur. Ces systèmes ouverts nous permettent de
développer et de modifier le code selon les besoins.
« Nous avons également bénéficié d’un support technique
de qualité auprès de NI, qui a su répondre à nos besoins. »
Le besoin d’une solution économique et rapide
Le besoin de validation d’unités électroniques embarquées comme
le contrôle moteur nécessitait, à l’origine, de nombreux tests sur
des cibles réelles (moteur, calculateur de batterie). La mise en œuvre,
chronophage, impliquait des réglages en finesse qui s’avéraient
délicats. De plus, les tests manuels effectués avec des instruments
volumineux et non automatisés comme l’oscilloscope ou l’espion
CAN rendaient les manipulations difficiles.
Le Pôle Validation d’EMC a donc mis au point un banc HIL nommé
ACHIL, afin de supprimer ces postes de dépenses et les délais de
mise en œuvre de prototypes.
Nous avons également bénéficié d’un support technique de qualité
auprès de NI, qui a su répondre à l’ensemble de nos besoins et
interrogations durant les phases de dimensionnement et de
fabrication du produit.
Cette expérience nous permet également de développer notre
pôle de compétences en interne sur les produits NI.
Une solution sur mesure
Un développement rapide
La solution ACHIL a été développée, à l’origine, dans le cadre d’un
projet client qui nécessitait la validation de plusieurs unités de
contrôle électronique et des fonctions logicielles afin de simuler
un environnement virtuel proche de la réalité.
Les conditions du comportement du moteur en situation réelle et
spécifique devaient être reproduites fidèlement.
EMC a réussi l’exploit de réduire le temps de développement du
produit à quelques mois afin d’être opérationnel pour le démarrage
des phases de tests.
National Instruments au cœur d’ACHIL
Au sein d’EMC, l’utilisation des modules PXI pour le développement
des bancs d’essais est une culture. Fiable et économique, ce
matériel nous permet de répondre avec rigueur à nos besoins.
Il démontre également une capacité d’adaptation très importante
selon le type d’essais réalisés.
74 ni.com/france
Grâce à ACHIL, nous avons réduit le délai de déroulement des
tests puisque nous avons automatisé l’ensemble des actions.
Le pilotage peut donc être généré à temps plein et amplifier la
rapidité d’exécution.
La flexibilité était également l’une de nos priorités. La solution
ACHIL est entièrement configurable et adaptable aux différents
calculateurs du marché dont nous avons la charge. Le changement
ou l’ajout de cartes augmente le nombre des entrées et sorties
numériques ou analogiques.
La génération automatique des scripts nous permet de passer des
tests systématiques et d’éditer des comptes-rendus automatisés.
Les informations fournies profitent d’une qualité inégalée.
La carte FPGA permet une excellente fréquence de
rafraîchissement et de s’affranchir des contraintes temps réel.
Nous développons actuellement un champ d’application en
moyenne tension capable d’atteindre 400 V afin de répondre
aux besoins de simulation poussée de batteries ainsi que des
tests inter-système.
Nous envisageons désormais d’augmenter le nombre de
calculateurs dans le banc pour accompagner notre projet
de R&D HYSECO sur l’hybridation moteur.
Le prochain développement portera sur le Power HIL avec
commande de puissance sur moteur électrique.
Le système reste très ouvert et flexible et nous permet donc
de répondre sur mesure aux besoins des clients.
Stéphane OLEVIER
EMC
4 - 6, allée de la Rhubarbe
78260 Achères
Tél. : +33 (0)6 82 39 80 84
Web : www.emcfrance.fr
Banc de validation ACHIL
D’un point de vue des performances, nous avons la possibilité
d’intégrer plusieurs modèles physiques et d’augmenter les capacités
du banc. Les résultats reflètent donc au mieux la réalité.
Enfin, ACHIL est une solution économique pour le client qui voit
ses phases de tests réduites.
Une solution d’avenir
ACHIL a déjà reçu la confiance de plusieurs de nos clients. Leur
retour d’expérience est extrêmement positif.
ni.com/france
75
LabVIEW pilote le premier « Laser Avancé » unique en Europe
Par Loïc LAURO, ENSM.SE
L’objectif :
La soLution :
Intégrer un nouveau banc de test équipé d’un laser multi-sources
unique en Europe dans la plate-forme de caractérisation sécuritaire
Micro-PackS.
Faire évoluer l’architecture logicielle et l’interface graphique
de la plate-forme Micro-PackS, toutes deux pensées de façon
modulable et évolutive. Cette adaptation a nécessité l’utilisation
d’un gestionnaire de version associé à NI LabVIEW permettant
un interfaçage aisé et optimal de l’ensemble des équipements.
La multiplication des appareils électroniques dans la vie de tous les
jours nous pousse à être d’autant plus vigilants sur la sécurité de nos
informations personnelles. En effet, les circuits cryptographiques
que l’on retrouve dans les cartes à puces, les cartes SIM, les
téléphones ou encore la télévision à péage sont sujets à différents
types d’attaques visant leur implémentation physique.
l’automatisation et la validation feront partie du projet de recherche
commun entre académiques et industriels « CALISSON 2 ».
Ces attaques sont le moyen d’extraire des informations secrètes de
manière non conforme. Parmi celles-ci, les attaques par injection de
fautes consistant à perturber un circuit lors du chiffrement de ses
données se sont révélées particulièrement efficaces.
Contribuant fortement à la reconnaissance de l’expertise des acteurs
de la région PACA dans le domaine de la sécurité, cet outil présente
un caractère unique dans le domaine de la caractérisation sécuritaire
du fait de ses performances élevées, et il constitue un facteur
différenciant fort pour l’équipe de recherche ainsi que pour les
membres de la plate-forme.
L’équipe mixte de recherche CEA-LETI/ENSMSE, créée en 2004,
contribue au fonctionnement du laboratoire sécurité de la plateforme Micro-PackS et y effectue ses travaux de recherche
afférents aux systèmes sécurisés. Les bancs du laboratoire
pourvus d’équipements très spécifiques (laser, analyseurs, sondes
électromagnétiques, etc.) sont également mis à disposition des
industriels pour qu’ils puissent éprouver leurs composants afin
d’en déterminer leur niveau de sécurité.
Augmenter l’expertise des acteurs de la région PACA
dans le domaine de la sécurité
Les circuits électroniques sont très sensibles à la lumière. Le
courant induit par les photons peut être utilisé pour générer des
fautes lorsque le circuit est exposé à une lumière intense telle
qu’un laser durant une très courte durée. Les premières attaques
utilisant cette technique ont été portées pour la première fois aux
circuits cryptographiques par des chercheurs de l’Université de
Cambridge en 2002. Depuis cette date, le laser est devenu un
outil de caractérisation sécuritaire utilisé par les industriels et les
centres de recherche.
Afin de disposer d’un outil adapté à l’évolution technologique des
circuits sécurisés (augmentation des fréquences de fonctionnement
et diminution de la taille des transistors) et permettant la conduite
d’un travail de recherche innovant, le besoin de sources laser
disposant de caractéristiques temporelles et énergétiques
optimales a émergé.
Ainsi, l’École des Mines de Saint-Étienne va s’enrichir d’un nouveau
banc laser doté de capacités étendues, le banc « Laser Avancé »,
qui sera accueilli par la plate-forme Micro-PackS. La mise en œuvre,
76 ni.com/france
Échantillon de test soumis à un tir laser
Une polyvalence d’interfaçage, la création d’IHM
évoluée et l’utilisation de drivers standard pour un
développement optimal
Ce nouveau banc de test comporte un nombre important
d’équipements à piloter, tels que plusieurs sources laser, des
cartes FPGA, une table XYZ, des micromanipulateurs, des cartes
de test, un oscilloscope, des cartes et un châssis PXI…
En plus d’être pilotables par logiciel, tous les équipements doivent
être synchronisés matériellement entre eux afin de garantir une
caractérisation la plus juste possible au niveau temporel. À cet
effet, nous utilisons un module NI PXI-6653 afin d’effectuer un
cadencement synchronisé.
Ce banc de test a plusieurs vocations : la première est de permettre
aux chercheurs d’approfondir leurs connaissances dans le domaine
de la sécurité et ainsi de proposer des modèles de fautes réalistes
qui pourront, par la suite, être intégrés dans des outils de
De plus, l’utilisateur est informé en temps réel sur le déroulement
du test et peut obtenir une notification par e-mail dès lors que la
caractérisation est terminée.
L’ensemble de ces fonctionnalités ont été pensées dans le but
de fournir un maximum de confort d’utilisation et d’ergonomie.
« La nécessité d’une interface évolutive et ergonomique
associée à la création de drivers standard ont tout
naturellement conduit notre choix vers le logiciel LabVIEW. »
simulation. La seconde est d’offrir aux industriels des bancs de
caractérisation avancés permettant de garantir la sécurité de leurs
composants en avance de phase vis-à-vis des attaques futures.
Les objectifs sont donc multiples : offrir un pilotage le plus libre
possible tout en ayant un interfaçage rapide et répétitif.
Afin de répondre à toutes ces contraintes, il nous faut développer
un interfaçage rapide intégrant différents équipements, et ceci
quels que soient le type de connexions (RS-232, GPIB, USB ou
Ethernet), et le type de fichiers de bibliothèque partagée.
Le choix d’un développement par le logiciel
LabVIEW a permis une mise en place intuitive
de ce système de fonctionnement et a pu
aisément être associé à un logiciel de gestion
de version, indispensable pour la réalisation
de toute application complexe.
Un logiciel facile d’utilisation, adapté à chaque cas pour
prévenir des nouvelles failles de sécurité matérielle
L’outil réalisé permet aux différents utilisateurs d’effectuer des tests
spécifiques et parfaitement adaptés à leurs besoins, en utilisant
uniquement les équipements nécessaires à leur caractérisation. Cette
souplesse d’utilisation permet d’obtenir rapidement des résultats
probants pour le secteur industriel, et des publications scientifiques
en ce qui concerne le domaine de la recherche.
La nécessité d’une interface évolutive et ergonomique associée
à la création de drivers standard ont tout naturellement conduit
notre choix vers le logiciel LabVIEW.
Une architecture logicielle évolutive et une
IHM intuitive
Les sources laser destinées à être pilotées comportent chacune
des caractéristiques techniques très spécifiques qui sont autant
de contraintes qu’il a fallu intégrer au cahier des charges.
La rédaction de ce cahier des charges a mis en avant l’une
des principales composantes du projet, à savoir, fournir aux
utilisateurs un moyen simple et convivial de piloter un grand
nombre d’équipements complexes et cela par l’intermédiaire
d’une même interface graphique.
Pour cela, l’établissement d’une architecture logicielle précise
a été nécessaire. Notre choix s’est ainsi orienté vers la mise en
place de deux machines d’états cadencées par un système de
file d’attente. La première de ces machines d’états a pour but de
gérer la reconfiguration automatique de l’interface ainsi que celle
des équipements alors que la seconde est dédiée au déroulement
spécifique des tests de caractérisation.
Cette structure de développement a permis, de par son
évolutivité, de rajouter tous les éléments matériels nécessaires
au pilotage du « Laser Avancé ».
L’utilisateur peut ainsi configurer ses paramètres par
l’intermédiaire de l’interface graphique, ou par l’appel d’un fichier
d’initialisation. Les paramètres modifiés pourront à tout moment
être sauvegardés dans un fichier d’initialisation pour être réutilisés
ultérieurement.
Châssis NI PXI-1044 et accessoire d'E/S numériques SMB-2163
Quant à l’architecture logicielle s’articulant autour de deux machines
d’états, elle a pu être pensée de façon évolutive pour permettre
de rajouter à souhait n’importe quel type de matériel pilotable.
Ces spécificités rendent les perspectives d’évolutions illimitées et
permettront à l’application de s’adapter aisément aux différentes
menaces auxquelles seront confrontés les chercheurs et les
industriels dans le futur.
Loïc LAURO
École des Mines de Saint-Étienne
Centre Microélectronique de Provence «Georges Charpak»
880, avenue de Mimet
13541 Gardanne
Tél. : +33 (0)4 42 61 67 05
Web : www.emse.fr
ni.com/france
77
Caractérisation de capteurs à pixels MAPS
destinés à équiper les grandes expériences
de physique des particules
Par Gilles CLAUS, Groupe PICSEL, IPHC Strasbourg, IN2P3, CNRS
L’objectif :
La soLution :
Simplifier le système d’acquisition de données du télescope de
faisceau EUDET, conçu pour caractériser les détecteurs des
grandes expériences de physique des particules, et réduire son
coût, afin de permettre de le copier et de le distribuer avec des
ressources humaines limitées.
Utiliser un système PXI Express, intégrant une carte FlexRIO
d’acquisition de données dotée d’un FPGA, pour répondre aux
exigences techniques du projet avec une marge de sécurité
confortable.
Le groupe PICSEL (Physics with Integrated Cmos Sensors and
ELectron machines) de l’IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert
Curien) de Strasbourg est pionnier et leader dans la conception
de capteurs à pixels MAPS (Monolithic Active Pixels Sensors) en
technologie CMOS, qui sont candidats à équiper les détecteurs
des grandes expériences de physique des particules (STAR,
ILC et Super LHC par exemple). Ces capteurs sont des ASIC
(Application-Specific Integrated Circuit) qui intègrent une matrice
de pixels et l’électronique de traitement du signal : numérisation
et réduction du flux de données.
résolution de 3,5 µm et acquiert 5000 images/s. Bien qu’il intègre
un algorithme de réduction du flux de données, Ultimate génère un
débit maximal de 40 Mo/s sur deux liaisons série à 160 MHz. Ceci
donne une idée des contraintes que nos capteurs imposent aux
systèmes d’acquisition de données.
Un télescope pour convaincre
Bien avant d’assembler les capteurs pour équiper un détecteur tel
que celui de STAR, il faut caractériser un capteur pour démontrer que
ses performances respectent le cahier des charges de l’expérience.
Pour ce faire, la collaboration EUDET (Projet
Européen du 6ème PCRDT) a développé
un télescope de faisceau qui permet de
caractériser les capteurs. L’explication de
son fonctionnement dépassant le cadre de
ce document, retenons simplement que
le télescope intègre le capteur à évaluer et un jeu de capteurs de
référence auxquels il est comparé. Le télescope est placé dans un
faisceau de particules de haute énergie grâce aux infrastructures
de grands accélérateurs de particules au CERN à Genève ou DESY
à Hambourg.
« L’architecture de la carte FlexRIO nous a permis de nous
affranchir du développement matériel et de valider
rapidement le firmware via LabVIEW FPGA. »
La contrainte d’un protocole propriétaire
Le télescope de faisceau EUDET comporte six capteurs MAPS
de référence, Mimosa 26, ayant chacun deux liaisons série LVDS
à 80 MHz pouvant délivrer un flux de données de 20 Mo/s lorsque
le faisceau est à son intensité maximale. Ceci représente au total
12 liaisons LVDS à 80 MHz à acquérir, soit un flux de données
maximal de 120 Mo/s.
Le capteur à caractériser est soumis à un faisceau de particules dans
le télescope EUDET pour évaluer ses performances par rapport à un
jeu de six capteurs de référence.
Nous avons par exemple conçu le capteur Ultimate pour le
nouveau détecteur de vertex de l’expérience STAR à Brookhaven
(États-Unis). L’assemblage de 400 capteurs pour couvrir la surface
du détecteur de 1600 cm² est actuellement en cours. Ultimate
comporte un million de pixels sur une surface de 4 cm², mesure
les coordonnées x et y de passage des particules avec une
78 ni.com/france
Le protocole de lecture série de Mimosa 26 étant propriétaire, il
était impossible d’utiliser une carte classique d’acquisition de données
numériques du commerce. Il aurait fallu traiter le protocole propriétaire
par logiciel alors que le système d’acquisition ne doit souffrir
d’aucun temps mort. Il fallait donc trouver une autre approche.
C’est sur la base de ces arguments qu’une première génération
de système d’acquisition de données en VME a été développée
et déployée avec succès par l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare) de Ferrara en 2006.
Migrer du VME propriétaire au PXI Express
sur étagère
La carte FlexRIO (PXIe-7962R) contourne cette limitation des
cartes d’acquisition numériques classiques car elle permet
d’implanter son propre firmware (micrologiciel) dans le circuit
FPGA qu’elle intègre. Le protocole propriétaire est ainsi géré
par firmware, directement sur la carte, sans consommer de
ressources logicielles.
peuvent être focalisées sur les développements à forte valeur
ajoutée que sont le firmware et le software. De plus, LabVIEW
FPGA permet d’ouvrir le développement firmware à des ingénieurs
ou chercheurs qui ne sont pas experts en VHDL et de renforcer
ainsi les ressources humaines affectées à ce domaine.
La bande passante du bus PXI Express de la FlexRIO est de
800 Mo/s ; ce qui est bien supérieur aux 120 Mo/s nécessaires.
Pour l’interfaçage aux capteurs, un module d’adaptation NI 6585,
greffé en frontal de la carte FlexRIO, permet d’acquérir jusqu’à 32
liaisons LVDS à 200 MHz alors que notre besoin est de seulement
16 liaisons à 80 MHz.
Cette solution répond par conséquent aux besoins du projet,
sans nécessiter de développement matériel additionnel (voir le
synoptique). En outre, elle fait appel uniquement à un châssis
PXI Express et un rack de disques RAID (HDD- 8264). C’est
une architecture finalement assez proche de celle du VME, qui
s’intègre donc naturellement dans les systèmes d’acquisition
de données des grandes expériences.
Le capteur Ultimate qui équipera le nouveau détecteur de vertex de
l’expérience STAR a été caractérisé à l’aide d’une carte FlexRIO dans
le télescope de faisceau EUDET.
Une architecture en pleine évolution
Le système peut fonctionner de façon autonome en enregistrant
les données sur les disques RAID (à 600 Mo/s), au travers du
module NI 8262 d’interface PCI Express. Mais il peut aussi
envoyer ces données au logiciel de supervision de l’expérience
via les deux liaisons Ethernet Gigabit du contrôleur PXIe-8133.
Une première mise à jour du système d’acquisition de données a
déjà été effectuée avec succès début 2011 afin de caractériser le
capteur Ultimate (pour STAR). La fréquence des liaisons LVDS
ainsi que le flux de données ont été doublés (160 MHz et 240 Mo/s)
avec succès.
Programmation graphique et classique en C
L’architecture FlexRIO sur PXI Express est en cours de validation
pour nos prochains projets (AIDA et saLAT) pour lesquels il faudra
gagner un ordre de grandeur sur la bande passante et donc dépasser
le Go/s. Ce saut sera possible grâce à la modularité et l’extensibilité
de l’architecture qui permettront de répartir la charge entre plusieurs
châssis PXI Express, équipés chacun d’un contrôleur et d’une
carte FlexRIO.
L’interface utilisateur et une bibliothèque de VIs de contrôle de
la carte FlexRIO ont été développées en LabVIEW. Quelques
traitements spécifiques sur les données ont été codés en C dans
une DLL. Ceci montre que cet environnement NI permet aussi aux
développeurs qui ne sont pas familiers avec la programmation
graphique, d’implémenter des traitements dans le langage de leur
choix via une DLL.
Seulement 9 hommes-mois grâce à la
programmation graphique
Un premier démonstrateur a été validé en faisceau de test six
mois après le début du projet (décembre 2009). Son firmware
a été entièrement écrit en LabVIEW FPGA, l’interface graphique
développée sous LabVIEW et quelques traitements spécifiques
codés en C dans une DLL.
Le groupe PICSEL dispose maintenant d’un système d’acquisition
de données fiable et évolutif à la hauteur des performances des
capteurs qu’il conçoit. Ce système facilite la distribution de nos
capteurs dans les grands laboratoires de notre communauté
scientifique en Europe et aux États-Unis. Ainsi, une douzaine de
ces systèmes d’acquisition sont actuellement opérationnels dans
les laboratoires de nos collaborateurs.
En décembre 2010, le système a été documenté et transféré
à la collaboration EUDET, soit un an après le début du projet.
Cela représente environ neuf hommes-mois de travail effectif
réparti entre deux ingénieurs. Ce qui est peu pour un projet de
cette ampleur.
Privilégier les développements logiciels à forte
valeur ajoutée
Gilles CLAUS
Institut Pluridisciplinaire Hubert CURIEN
Département de Recherches Subatomiques - Groupe PICSEL
23, rue du loess - BP28
67037 Strasbourg Cedex 2
Tél. : +33 (0)3 88 10 60 71
Web : www.iphc.cnrs.fr/-PICSEL-.html
L’architecture de la carte FlexRIO nous a permis de nous affranchir
du développement matériel et de valider rapidement le firmware
via LabVIEW FPGA. Nous avons ainsi pu réduire les ressources
humaines qu’il aurait fallu affecter au développement matériel et
au suivi de production des cartes d’acquisition. Ces ressources
ni.com/france
79
suPEr
Transposition du concept IronBird de
l’industrie aéronautique à l’industrie ferroviaire
Lauréat
2011
Par Xavier BERGER, BU Équipements Aéronautiques et Transport Terrestre, CoC Systèmes Électroniques, Dépt. Électronique,
Service Test & Mesure, SAFRAN ENGINEERING SERVICES
L’objectif :
La soLution :
Obtenir un outil permettant de tester et valider l’intégration des
systèmes électroniques composant un train à grande vitesse afin
de réduire au maximum le risque sur la phase de développement du
train et de diminuer les coûts liés à la phase de tests sur le train réel.
Réaliser un banc de test regroupant des composants réels
du train, des éléments simulés et des équipements de mesure
permettant de tester et de vérifier l’intégralité des fonctions du
train de manière manuelle ou automatique et reproductible, avant
même la fabrication du premier modèle de ce train.
Dans le cadre du développement d’un nouveau train à grande
vitesse pour la Chine, notre client situé en Allemagne cherchait
une solution afin de réduire les coûts et les risques liés aux
longues phases d’intégration et de validation. Habituellement,
ces étapes sont réalisées sur le premier train prototype fabriqué
et nécessitent l’utilisation de voies ferrées. Ce process est long,
coûteux et ne permet pas d’assurer la réalisation de tests de
non-régression et de tests reproductibles.
Un grand nombre de contraintes
Les contraintes de ce projet étaient nombreuses : environnement
temps réel avec un temps de cycle de 10 ms, environ 30 000
signaux à espionner/simuler, 400 modèles à implémenter, 3 000
scripts automatiques à développer… le tout avec un train en pleine
phase de développement ce qui impliquait une solution flexible et
aisément adaptable.
Vue d’ensemble de l’IronBird
Nous avons relevé ce challenge et proposé de transposer une
technologie souvent utilisée dans l’industrie aéronautique : le
concept d’IronBird.
Vue des voitures 5 à 8
Pour répondre à ce besoin, nous nous sommes basés sur les
solutions logicielles et matérielles de National Instruments.
« Nous avons utilisé des cartes FPGA associées à des
modules CompactRIO pour rendre le banc flexible. »
Un IronBird est un ensemble de bancs HIL permettant de
simuler l’environnement des différents calculateurs composant
un avion. Ces bancs sont reliés et pilotés par un système de
supervision permettant de centraliser les données et de
synchroniser leurs actions.
80 ni.com/france
Un logiciel générique pour
des bancs HIL évolutifs
Pour la partie logicielle, nous avons fait
appel à NI VeriStand et à la technologie
NI LabVIEW FPGA, en développant un
logiciel générique pour tous les bancs.
Ceci nous permet de modifier la configuration du banc de manière
simple et rapide. Le banc est ainsi évolutif et permet à notre client
de faire évoluer son périmètre en ajoutant de nouveaux systèmes.
Vue du poste de pilotage virtuel
Nous avons également utilisé NI TestStand pour la gestion des
scripts automatiques. Environ 3 000 scripts ont été développés
correspondant à 3 000 cas d’utilisation du train : cas test nominal,
cas test avec introduction de défauts, cas test limite, cas test
d’endurance…
19 châssis PXI communiquant en temps réel
Pour la partie matérielle, le banc est composé de 19 châssis PXI
reliés par des cartes « reflective memory » permettant d’obtenir
une liaison déterministe entre tous les châssis et le superviseur.
Celui-ci est composé d’un PC sous LabVIEW Real-Time servant
de concentrateur de données, d’un PC dédié à l’affichage de
données gérant 9 écrans, d’un PC permettant d’exécuter les
scripts automatiques et de gérer la configuration du banc, ainsi
que d’un serveur de base de données mettant à disposition
8 To d’espace afin de stocker les données issues du banc.
Nous avons utilisé des cartes FPGA associées à des modules
NI CompactRIO pour gérer les entrées/sorties physiques. Ceci
nous permet de rendre le banc flexible (ajout/suppression de
signaux, modification des caractéristiques des signaux, le
conditionnement étant fait par les modules CompactRIO). Les
systèmes génériques embarquent également des cartes MVB,
des cartes CAN ainsi que plusieurs liaisons Ethernet pour se
connecter sur les bus de communication du train, afin d’espionner
les éléments réels et de simuler les signaux.
IHM permettant de visualiser les 30 000 signaux du banc triés par
systèmes et par voitures
Un gain de temps et un gain financier
Le banc est représentatif d’un train réel, il permet de tester les
cas d’utilisation nominaux mais également des cas de défaut
de manière manuelle ou automatique.
À ce jour notre client a commencé l’exploitation du banc, il est
déjà capable de tester environ 3 000 cas d’utilisation du train, et
ce, avant même la fabrication du premier train. Cela lui permet
un gain de temps important ainsi qu’un gain financier. Plusieurs
problèmes sur le train ont déjà été décelés grâce à ce nouvel outil
et ont pu être corrigés en avance de phase. De plus, toutes les
procédures de tests réelles ont déjà été déroulées une première
fois, ce qui permet à notre client d’améliorer la maturité de ses
procédures avant de les dérouler sur le train réel.
Xavier BERGER
SAFRAN ENGINEERING SERVICES
10, rue du Fort de Saint Cyr
78130 Montigny-le-Bretonneux
Tél. : +33 (0)1 30 68 38 00
Web : www.safran-engineering.com
ni.com/france
81
Lauréat
Cartographie de défauts en temps réel
sur circuits intégrés
2011
Par Sébastien CANY et Luc SAURY, département Qualité, ST-ERICSSON
L’objectif :
La soLution :
Développer un outil facilitant la localisation de défauts physiques
sur des circuits intégrés, à partir de l’analyse de grandeurs
électriques complexes.
Améliorer, grâce à l’utilisation d’une carte FPGA, une méthode
classique d’isolation de défauts par balayage laser, pour permettre
des investigations relatives à des paramètres complexes.
ST-ERICSSON est un fournisseur de plates-formes pour les
produits sans fil et de semi-conducteurs pour les plus grands
fabricants mondiaux de téléphones.
obtenue pour un circuit de référence avec celle issue d’un
circuit défaillant.
Le système décrit a été conçu par l’équipe Qualité d’analyses
de défaillances de ST-ERICSSON. Ce service a, entre autres, pour
mission de déterminer les modes de défaillances, les mécanismes
associés ainsi que leurs causes, à l’origine des comportements
électriques anormaux des circuits intégrés.
Rack PXI
Alimentation
Translateurs
de niveaux
Carte
d'application
Carte FPGA
Connectique
Mise au point du système de cartographie de défauts
Nous utilisons un équipement de type PHEMOS 1000 fabriqué
par HAMAMATSU. Celui-ci peut créer des cartographies de
1024 x 1024 pixels.
Limites de la méthode classique
L’implémentation standard de la stimulation thermique LASER
permet uniquement de mesurer des variations de tension
ou de courant sous l’effet de l’échauffement local (méthode
OBIRCH : Optical Beam Induced Resistive Change). Nous avons
amélioré cette méthode en l’étendant à la cartographie de
grandeurs « complexes » telles que fréquences, amplitudes,
valeurs stockées dans des registres.
Un cas réel d’analyse de défaillance
Nous avons développé et validé notre solution sur un cas réel
d’analyse de défaillance.
Il s’agit d’un composant gérant l’énergie (charge de la batterie,
régulation de tensions…) et les conversions (audio, RF, supervision)
dans un téléphone cellulaire.
Chemin optique vers
la source LASER
Objectifs
Localisation de défauts sur circuits intégrés
La localisation de défauts se complexifie en raison de la diminution
des tailles des motifs élémentaires, de l’accroissement des niveaux
de métallisation et de la diminution des tensions d’alimentation.
Il faut être capable d’identifier un bloc ne mesurant que quelques
micromètres dans un composant de plusieurs millimètres carrés.
Cela est possible, entre autres, grâce aux méthodes globales
d’isolation de défauts.
L’une de ces méthodes consiste à balayer la surface d’un circuit
intégré à l’aide d’un LASER tout en mesurant les variations de
courant ou de tension induites par ce LASER par effets thermiques
ou photoélectriques. Dans le cas de l’utilisation d’un LASER
thermique (λ ≈ 1,3 µm), le faisceau chauffe localement le
composant et modifie son comportement. Un système analogique
surveille certains paramètres (courants ou tensions) pendant le
balayage. Un logiciel tournant sur un ordinateur (PC) crée ensuite
une carte représentant la sensibilité du circuit à la chaleur. Les
défauts sont généralement localisés en comparant la carte
82 ni.com/france
Carte d'application
Connexions vers
les alimentations
Acquisition de la cartographie à l’aide d’un microscope à balayage
laser PHEMOS 1000
Ce circuit contient un C A/N (Convertisseur Analogique/Numérique)
mesurant divers courants et tensions lors du fonctionnement
du téléphone. Sur les composants défaillants, les résultats de
conversions étaient décalés de plusieurs bits (de poids faible).
Nous avons choisi d’intercaler un rack PXI (NI PXI-1036) équipé
d’un contrôleur (NI PXI-8102) et d’une carte FPGA (NI PXI-7852R)
entre le composant à analyser et l’équipement de localisation
(HAMAMATSU PHEMOS 1000).
Ce montage assure le démarrage du composant et le contrôle du
C A/N. Il initie des conversions et collecte les résultats via un bus
SPI. Il effectue une conversion d’échelle et transmet les données
vers l’équipement de localisation.
Acquérir et traiter chaque point en moins de 65 µs
Le balayage de la puce par le LASER dure 72 s et est constitué de
1024 x 1024 pixels. L’acquisition et le traitement de chaque point
doivent durer moins de 65 µs (période de l’horloge pixel).
Nous souhaitions être autonomes ; c’est-à-dire être en mesure
de programmer le système sans être experts en langages de
programmation (C, VHDL…).
Nous avons choisi un environnement matériel et logiciel NI car
celui-ci répondait pleinement à nos contraintes.
Ainsi, le châssis PXI-1036 et la carte PXI-7852R étaient
économiques, suffisamment rapides pour traiter chaque pixel
en moins de 65 µs et programmables en LabVIEW FPGA.
LabVIEW FPGA pour sa simplicité de programmation
Le système a été programmé à l’aide de LabVIEW FPGA. Cet
environnement facilite grandement la programmation car il fournit
au développeur l’ensemble des couches nécessaires : pilotes, API,
bibliothèques de fonctions, interfaces graphiques, chaînes de
compilation/synthèse…
Nous connaissions déjà les matériels NI et LabVIEW. Nous avons
suivi une formation LabVIEW FPGA chez un partenaire NI. Nous
n’avons pas eu recours à un support externe.
Le PHEMOS 1000 et le rack PXI peuvent fonctionner de façon
asynchrone ou synchrone. Nous avons validé les deux méthodes.
La méthode asynchrone est simple à mettre en œuvre mais le
traitement de chaque pixel doit durer moins de 65 µs. Le mode
synchrone est plus complexe mais il autorise des temps de
traitement plus longs. Lors de nos essais, les traitements étaient
suffisamment rapides pour utiliser le mode asynchrone.
Détection d’une fuite de 100 fA
Nous avons utilisé le développement précédemment présenté
pour cartographier les résultats de conversion d’un composant
de référence et d’un composant défaillant. Les résultats obtenus
sur les deux circuits étaient sensiblement différents. Le LASER
modifiait fortement le comportement du C A/N lors du balayage
de deux condensateurs sur la pièce défectueuse. Des simulations
ont montré qu’une fuite de seulement 100 fA sur les éléments
identifiés suffisait à expliquer le défaut électrique. Ainsi, la méthode
développée a permis de mettre en évidence deux défauts : une
défectivité du processus de fabrication du silicium générant une
fuite anormale dans certains condensateurs, et une faiblesse de
conception du composant puisque l’architecture du convertisseur
était trop sensible à un très faible niveau de fuites. Des modifications
ont été effectuées au niveau applicatif pour corriger ce problème.
Un gain de temps considérable grâce au FPGA
Nous avons atteint les objectifs fixés. La solution développée
est économique et a été réalisée sans l’aide d’experts en circuits
logiques programmables. Elle accroît considérablement les
possibilités des méthodes classiques de localisation de défauts sur
circuits intégrés. Elle permet une analyse basée sur des grandeurs
complexes (fréquences, amplitudes, valeurs contenues dans des
registres…). Grâce au FPGA, nous avons cartographié les zones
sensibles à la chaleur sur un circuit intégré en seulement quelques
minutes. Il aurait fallu plusieurs heures à un système utilisant un
testeur de production.
Cette solution a été utilisée pour localiser
un défaut dans un C A/N. La cartographie
« Nous souhaitions être en mesure de programmer le
obtenue a pointé sur des condensateurs
système sans être experts en langages de programmation
internes. Ces composants présentaient une
(C, VHDL…). »
fuite de 100 fA qui engendrait un décalage
des résultats de conversion. Ce mécanisme
Nous avons téléchargé et personnalisé un contrôleur SPI
de défaillance a été confirmé par des simulations. Le problème a
disponible gratuitement sur IPnet. Ce bloc permet des
pu être corrigé au niveau applicatif.
communications avec divers périphériques SPI. Nous l’avons
simplifié en supprimant les options inutiles pour notre application.
Le développement est maintenant utilisable au sein du laboratoire
Nous avons ainsi créé une cellule optimisée pour notre besoin.
qualité ST-ERICSSON pour tous les cas d’analyses de défaillances
impliquant des grandeurs complexes et adaptés à la stimulation
Nous avons embarqué dans le FPGA un algorithme initiant des
thermique LASER.
conversions du C A/N, récupérant les résultats, effectuant une
mise à l’échelle et exportant des données vers l’équipement de
Sébastien CANY et Luc SAURY
localisation (HAMAMATSU PHEMOS 1000).
ST-ERICSSON
12, rue Jules Horowitz BP217
Lors de la construction d’une cartographie, le PHEMOS 1000 est
38019 Grenoble Cedex
autonome : il contrôle le balayage LASER, effectue des mesures
Tél. : +33 (0)4 76 58 62 71
de tension et/ou de courant et construit les cartes de sensibilité
à l’excitation LASER. Un signal externe peut être injecté dans cet
Web : www.stericsson.com
équipement via une entrée analogique. Nous avons connecté l’une
des sorties analogiques de la carte PXI-7852R sur cette entrée.
ni.com/france
83
Validation du système de Sécurité Quai Voie
d’un métro automatique
Par Emmanuel CHARBOUILLOT, Responsable Technique, VIVERIS TECHNOLOGIES
L’objectif :
La soLution :
Développer un banc de test répondant aux besoins de validation
des électroniques développées par VIVERIS TECHNOLOGIES
afin de garantir la sécurité des usagers lors d’une chute sur la
voie de métro.
S’appuyer sur des standards matériels et logiciels, avec NI LabVIEW
et NI TestStand, en intégrant une couche logicielle d’abstraction
matériel/logiciel pour favoriser la pérennité du système.
La ligne D du réseau métropolitain de Lyon, mise en service en
1991, fonctionne en pilotage automatique avec le système MAGGALY
(Métro Automatique à Grand Gabarit de l’Agglomération Lyonnaise).
Elle est la première ligne d’Europe de grande capacité sans
conducteur et sans portes de quai.
Le système imaginé par VIVERIS TECHNOLOGIES est constitué
d’un équipement électronique SIL2 (EN5012x) générique et
configurable, intégrant une gestion automatique et dynamique
des métros de différentes compositions.
La validation fonctionnelle du système est
réalisée par un banc de test automatique.
Ce banc permet également d’étudier en
temps réel les coupures de rayons lors
des passages de métro. Les données
issues des essais servent à améliorer
les algorithmes prévisionnels existants ou de nouveaux modèles,
ainsi qu’à valider des prototypes.
« La qualité du support NI et la patience de nombreux
membres du forum nous ont aidés à surmonter
les difficultés. »
Le système « Sécurité Quai Voie » arrête automatiquement les
rames en cas de chute d’une personne ou d’un objet sur la voie.
Un tapis de rayons infrarouges espacés de 15 cm est présent
au-dessus de chaque voie sous le quai : dès qu’un objet tombe sur
la voie, le courant est coupé sur la partie concernée de la ligne.
Simuler les barrières infrarouges et tester les
sorties sécuritaires
La chaîne de mesure est constituée d’un PC industriel placé
dans une baie. La carte 16 ports série NI PCI-8430, reliée à
des convertisseurs boucle de courant, permet la simulation des
barrières infrarouges. Une carte d’E/S numériques NI PCI-6509
permet l’acquisition des sorties sécuritaires de l’équipement.
Des cartes d’interfaces dédiées assurent la polarisation de relais
et les adaptations en tension. La configuration et le monitoring de
l’équipement sont réalisés via une liaison Ethernet par appel de
Services Web SOAP.
Une architecture logicielle évolutive
Nous avons développé une architecture logicielle modulaire et
évolutive, en trois couches : une première couche de bas niveau
correspondant aux drivers des matériels, une couche d’abstraction
et une couche applicative s’appuyant sur NI TestStand. Pour la
couche d’abstraction, nous avons défini et créé sous LabVIEW
des objets indépendants des instruments, et faciles à manipuler.
Le dispositif Sécurité Quai Voie équipe 15 stations.
La couche applicative permet :
■■
Adapter le système à de nouvelles normes
KEOLIS - opérateur privé de transport public de voyageurs s’est rapproché de VIVERIS TECHNOLOGIES pour moderniser
le système SQV existant et l’adapter aux nouvelles normes
en vigueur, pour continuer à garantir la sécurité et le confort
des usagers.
84 ni.com/france
■■
■■
de créer et jouer un scénario en paramétrant les données de
manière à simuler des trains en station ou des chutes d’objets
de rejouer des scénarios à partir des données enregistrées
(sans filtrage ou retraitement des fichiers récupérés) en station
afin de pouvoir simuler des défauts
d’analyser les événements avec la précision d’un rayon.
Les cycles de traitement autorisent la simulation de 768 rayons
infrarouges toutes les 22,7 ms. Après chaque cycle, des calculs
sont effectués sous LabVIEW ou via des DLL ou des exécutables
appelés par LabVIEW.
Le banc est ouvert et générique. Nous l’avons utilisé pour
caractériser les équipements actuels.
L’application a été développée par VIVERIS TECHNOLOGIES
en cinq mois environ et tourne sous Windows XP. Certains
développements ont été plus complexes, comme l’intégration
WSDL. La qualité du support NI et la patience de nombreux
membres du forum nous ont aidés à surmonter ces difficultés.
Vers une plate-forme de simulation temps réel
Pour simuler des scénarios complexes, comme le trafic d’une
station complète sur une journée, nous envisageons la mise en
œuvre de LabVIEW Real-Time et la conversion du PC en cible
matérielle temps réel dédiée.
Par ailleurs, avec le Module LabVIEW Statechart, nous intégrons
une modélisation des algorithmes sécuritaires pour évaluer les
fréquences d’usage et criticités de chaque fonction.
Interface utilisateur du logiciel
Le recours à la planification automatique de NI TestStand a
amélioré l’utilisation des instruments en éliminant une majeure
partie des temps morts au début des exécutions des tests. Les
séquences assurent ainsi un enchaînement automatisé des
différentes opérations et étapes de validation, difficilement
réalisables avec le matériel roulant :
■■
détection de la présence, de la position et du déplacement
d’un train
■■
gestion de compositions variables
■■
entassement, accostage-scindage
■■
erreurs de signatures
■■
gestion des redondances
■■
etc.
Combiné au logiciel NI VeriStand, l’objectif est bien de disposer
d’une plate-forme de simulation HIL complète offrant des capacités
d’ouverture et de performances permettant de répondre aux
évolutions futures du système.
Emmanuel CHARBOUILLOT
VIVERIS TECHNOLOGIES RHÔNE-ALPES
115, bd de Stalingrad
69100 Villeurbanne
Tél. : +33 (0)4 72 82 19 80
Web : www.viveris.fr
ni.com/france
85
Réalisation d’un banc de test générique
multi-fonctionnel pour un équipement médical
Par Jean-Michel LEYRIE, VIVERIS TECHNOLOGIES
L’objectif :
La soLution :
Pour un équipement médical, réaliser un banc de test répondant
aux besoins de quatre équipes avec des exigences diamétralement
opposées : ingénierie et production, tests d’étude et de fabrication.
Fusionner tous les besoins pour définir une bibliothèque commune
de « steps » NI TestStand, et réaliser des IHM et des séquences
propres à chaque équipe.
Le développement d’un appareil médical nécessite que plusieurs
équipes travaillent en parallèle. Cela inclut des équipes d’ingénierie,
qui doivent réaliser les différentes fonctions mécaniques,
électroniques et logicielles, mais aussi les équipes de la
production, qui doivent préparer la fabrication du produit pour
que sa mise sur le marché soit rapide et respecte les critères
de qualité indispensables aux applications médicales.
de nouveaux steps systèmes ; et les utilisateurs de séquences
utilisent les séquences pour réaliser des tests connus.
NI TestStand pour se focaliser sur le métier
Avant NI TestStand, le développement d’un banc nécessitait de
créer un séquenceur de test, toujours spécifique, et particulièrement
difficile à mettre au point lorsque celui-ci doit être évolutif et
configurable. L’utilisation de NI TestStand
« L’utilisation de NI TestStand permet d’accompagner le client permet d’accompagner le client dans son
métier et de se concentrer sur ses
dans son métier et de se concentrer sur ses problématiques problématiques plutôt que sur la mise
plutôt que sur la mise au point de l’outil. »
au point de l’outil. De façon beaucoup
plus pragmatique, le coût de licence
Tester de la conception à la production
de NI TestStand est sans comparaison par rapport au coût
Ces différentes équipes ont différents besoins de tests. Pour
de développement d’un séquenceur de test.
les équipes d’ingénierie, il faut des tests unitaires, aléatoires et
d’endurance permettant de valider le bon fonctionnement du
système dans tous les cas d’utilisation. Pour les équipes de
production, il faut des tests connus et systématiques permettant
de valider que les mesures effectuées sur les produits fabriqués
répondent aux critères de qualité autorisant la mise sur le marché.
Un découpage naturel en steps et séquences
Le besoin de base étant le même pour tout le monde (s’interfacer
avec les entrées/sorties du système), VIVERIS a recueilli les besoins
des équipes pour en extraire les besoins unitaires. De part la
structure steps (pas)/séquence de NI TestStand, le découpage
est devenu naturel, avec :
■■
■■
■■
des steps systèmes réalisant la fonction métier du client (par
exemple, réaliser un examen médical). Ces steps agrègent des
steps unitaires.
des steps unitaires indépendants du métier et réalisant des
fonctions techniques (par exemple, écrire sur un bus CAN,
réaliser une mesure de vibration…).
des séquences réalisant les tests globaux (par exemple, réaliser
des examens pendant 24 heures, s’assurer que les vibrations
ne dépassent pas un certain seuil, réaliser les étalonnages
automatiquement…).
Le banc est alors utilisable par différents profils d’utilisateurs. Les
concepteurs de séquences « métiers » utilisent les steps systèmes ;
les concepteurs des steps agrègent des steps unitaires pour créer
86 ni.com/france
Le banc de test est composé d’un PC Windows, d’un écran tactile,
d’un système NI de mesure de vibration, de deux cartes NI d’E/S,
d’une douchette Laser et d’un dosimètre, le tout intégré dans une
baie 19 pouces.
L’architecture ouverte de NI TestStand permet d’utiliser des
briques métiers existantes, comme des scripts Python ou des
VIs LabVIEW. À chaque fois, il est nécessaire d'avoir une
séparation nette entre les notions de tests et de gestion de
séquence. À chacun son métier et il sera bien fait.
Un bilan très positif
L’utilisation de NI TestStand permet un cycle de développement
itératif et d’accompagner le client dans la conception de son produit.
Une fois la base du banc réalisée très rapidement, celui-ci est
immédiatement utilisable, et nous continuons de l'enrichir avec
de nouveaux steps et de nouvelles séquences.
Un banc intégré dans une baie 19 pouces
Côté matériel, le banc est composé d’un PC Windows, d’un écran
tactile, d’un système NI de mesure de vibration, de deux cartes
NI d’E/S, d’une douchette Laser et d’un dosimètre, le tout intégré
dans une baie 19 pouces.
Nous avons également développé un serveur Web permettant
de suivre l’avancement des tests à distance depuis un navigateur.
L’application est intrinsèquement évolutive, grâce à la conception
retenue et à l’architecture de NI TestStand. Nous avons élaboré
une documentation de conception permettant d’enrichir les
fonctionnalités du banc.
Plus besoin de mise au point de séquenceurs
Il est évident que NI TestStand apporte énormément à VIVERIS,
mais aussi au client. Nos objectifs deviennent plus communs que
jamais lors de la réalisation d’un banc, sachant que la mise au point,
très critique, du séquenceur n’est plus un problème.
L’une des interfaces de contrôle, développée en LabWindows/CVI, est
ergonomique et résolument minimaliste pour satisfaire les besoins des
opérateurs de production.
NI TestStand offrant des API très complètes, le même cœur de
séquences peut être utilisé par différents logiciels. Grâce à cela,
nous avons proposé plusieurs interfaces de contrôle. La première,
développée en LabWindows/CVI, tactile, très ergonomique et
minimaliste pour les opérateurs de production, et la seconde, plus
complexe à prendre en main, mais offrant toute la puissance de
NI TestStand.
Ces avantages sont valables pour les bancs complexes, mais aussi
pour des bancs simples et non évolutifs. En effet, le coût des outils
et du run-time NI TestStand sera toujours inférieur au temps de
développement d’un séquenceur, aussi simple soit-il. De plus,
l’utilisation de NI TestStand permet de proposer à très bas coût
des fonctions intéressantes comme la génération de rapports.
Jean-Michel LEYRIE
Parc d'Affaires Silic
1, rue Traversière - BP20327
94598 Rungis Cedex
Tél. : +33 (0)1 41 73 08 20
Web : www.viveris.fr
Lors des étapes initiales du projet, VIVERIS et NI ont travaillé de
concert afin de s’assurer que NI TestStand permettait de répondre
aux exigences fonctionnelles et de performances demandées par
le client. En cours de projet, ils ont réalisé une analyse approfondie
des choix technologiques retenus par VIVERIS afin de détecter au
plus tôt d’éventuels risques.
ni.com/france
87
Cellule de sciage robotisée pour automatiser
les chaînes de production de merrains
Par Jean-Marc RIONDEL, Responsable systèmes spéciaux au CRITT BOIS
L’objectif :
La soLution :
Remplacer le sciage manuel des merrains (planches de chêne
utilisées par les tonneliers dans la fabrication des barriques) par
une cellule de sciage robotisée permettant d’assurer la sécurité
des opérateurs, d’améliorer la productivité et d’optimiser le
rendement matière.
Utiliser NI LabVIEW pour développer une application intégrant
l’acquisition au travers de plusieurs caméras des formes des
quartiers à scier, l’exécution d’un algorithme de calcul d’optimisation
3D, et le pilotage d’un robot KUKA équipé d’une cellule de sciage.
La merranderie est l'activité du merrandier, qui consiste à produire
des merrains, c'est-à-dire des pièces de bois, généralement de chêne,
fendus en menues planches, dont on fait des tonneaux ou barriques.
Le merrain est la matière première principale du tonnelier.
industriels soucieux d'améliorer la sécurité au poste de travail et
de garantir la pérennité de leur recrutement.
Les clients souhaitent aujourd'hui automatiser de plus en plus leur
atelier. Le CRITT BOIS a donc décidé de développer un outil de
sciage automatique, baptisé OPTIQUARTIER, afin de répondre
aux problèmes de sécurité, de performances et de recrutement
des merrandiers.
Le système est composé d’un robot KUKA, d’un système
d’acquisition de forme comprenant plusieurs caméras, et d’une
interface de supervision au poste de travail permettant à
l’opérateur de valider les choix de l'algorithme de calcul et
de piloter le robot pour le traitement du quartier de bois.
Scier les pièces de bois de façon spécifique
Le fonctionnement de la machine est extrêmement simple. Les
quartiers ou demi-billons de chêne sont acheminés vers la cellule
de sciage par un convoyeur. À l'extrémité de celui-ci, le système
de vision permet de scanner la géométrie des quartiers. L’opérateur
utilise alors les données géométriques sur son interface de pilotage
pour préparer le débit de sciage en fonction des particularités et
singularités de la pièce de bois.
Sciage de merrains traditionnel sur une scie à ruban
La production de merrains est une des spécialités françaises en
raison de l'importance de sa production vinicole et d'alcools vieillis
en fûts de chêne.
Les merranderies sont des scieries qui transforment les grumes
de chêne en merrains. Le merrain est une pièce de bois, sciée
dans un quartier de chêne d’une manière particulière. Les futurs
merrains doivent être rigoureusement sciés dans le sens radial
(orientation des rayons médullaires du chêne) et doivent respecter
le fil du bois. Ces contraintes de fabrication permettent d'assurer
l'étanchéité de la barrique après montage de celle-ci.
Optimiser la matière première et améliorer la sécurité
En plus des problématiques d'approvisionnement et de coût de la
matière première, les merrandiers sont confrontés à de nouvelles
réglementations en termes de sécurité. En raison d’une législation
de plus en plus exigeante, et des accidents arrivant régulièrement,
les scies à ruban sont devenues des contraintes majeures pour les
88 ni.com/france
Un modèle virtuel de l'installation a été réalisé pour vérifier les temps
de cycles et améliorer les trajectoires.
Après calcul d’optimisation du positionnement des merrains,
l'opérateur valide le débit. Le système robotisé vient chercher
au poste de vision la pièce et réalise l'ensemble du débit
en automatique sous la surveillance de l’opérateur.
technologie offre aux utilisateurs une meilleure ergonomie et une
prise en main plus rapide.
LabVIEW pour intégrer vision et robotique
Depuis 2008, le CRITT BOIS a fait le choix de LabVIEW pour ses
développements logiciels. Cet outil nous permet de garantir une
stabilité de nos développements et une capitalisation des fonctions
développées. Dans le cadre du projet OPTIQUARTIER, l'interfaçage
avec les outils de vision et de robotique (réseau de terrain au standard
industriel et réseau Ethernet) a été développé très rapidement.
La communication avec les caméras et le traitement d’images
ont été grandement facilités par l’utilisation de la bibliothèque
IMAQ Vision de LabVIEW. Lors du développement, ce module
nous a permis de concentrer nos efforts sur les algorithmes et
le fonctionnement du traitement d’images, plutôt que de se
préoccuper de l’écriture du code.
Cellule robotisée en cours de montage au CRITT BOIS
Le CRITT BOIS a réalisé un modèle virtuel de l'installation pour
vérifier les temps de cycles et améliorer les trajectoires.
« LabVIEW nous permet de garantir une
stabilité de nos développements et une
capitalisation des fonctions développées. »
Un calcul d’optimisation sur trois dimensions
Afin d’offrir de meilleures performances aux clients, le système
est composé d'un algorithme d’optimisation donnant le meilleur
rendement en un temps extrêmement réduit (quelques dixièmes
de seconde). De plus, l’algorithme travaille sur les trois dimensions
afin de proposer un résultat optimal avec la possibilité de faire du
sciage courbe (l'objectif du sciage courbe est de respecter au mieux,
si besoin, le fil du bois).
Positionnement des merrains dans le quartier après optimisation
Le robot reçoit la gamme de fabrication au format XML, qui
est générée par l’application LabVIEW en fonction du résultat
d’optimisation. Le CRITT BOIS a développé un driver de
communication pour les robots KUKA. La cellule prototype
est en cours de montage et de mise en route.
Cette expertise autour du monde de la « robotique innovante »
permet aujourd'hui au CRITT BOIS de pouvoir mettre en œuvre
des outils industriels dans l'ensemble de la filière bois (cellule de
ponçage, usinage, positionnement, etc.).
Traitement des images
Jean-Marc RIONDEL
CRITT BOIS
27, rue Philippe Séguin
BP 91067
88051 Épinal Cedex 9
Tél. : +33 (0)3 29 81 11 70
Web : www.cribois.net
L’interface homme-machine, utilisée par l’opérateur pour entrer
des informations (comme l’épaisseur des merrains, les rayons
médullaires, etc.), a été conçue autour d'une dalle tactile. Cette
ni.com/france
89
Pilotage à distance d’une chaîne de mesure
non destructive embarquée sur un drone
Par Florent DUVINAGE, Chef de projet, NÉRYS
L’objectif :
La soLution :
Interfacer, acquérir et générer les signaux physiques connexes
d’une carte de mesure d’ultrasons embarquée sur un drone
d’hélicoptère multi-rotors, et contrôlée à distance via une station
de pilotage au sol.
Connecter la station de pilotage au point d’accès Wi-Fi embarqué sur
le drone, développer sous NI LabVIEW une interface de contrôle
de la carte de mesure non destructive, et utiliser une carte ARM
pour gérer l’acquisition et la génération des signaux ainsi que leur
transfert vers la station de pilotage au sol.
La société Cofice (www.helicofice.com) est spécialisée dans
l’expertise industrielle et plus particulièrement en contrôles
non destructifs ainsi qu’en inspection. Certaines mesures étant
réalisées en hauteur et en milieux à hauts risques (cheminées,
tanks, pipes, silos…), Cofice a étudié la possibilité de réaliser
certaines de ces mesures à l’aide d’un drone multi-rotors.
développer l’interface permettant de piloter à distance l’ensemble
de la chaîne de mesure non destructive.
Les fonctions de l’interface, développée sous LabVIEW, devaient
principalement permettre le réglage des paramètres de la carte
de mesure embarquée et la récupération des valeurs mesurées.
Il lui fallait notamment lire un fichier de configuration d’essai au
format Word, récupérer les coordonnées GPS (latitude, longitude
et hauteur) du drone, connecté au switch Ethernet (en utilisant
une communication TCP), récupérer deux états logiques et
piloter une électrovanne, et acquérir des signaux analogiques.
À cela se rajoutent la fonction de récupération d’images
(enregistrées par une autre application sur le serveur Linux du
drone) et leur intégration dans le fichier résultat (sur la station
au sol).
Le système a également été conçu pour pouvoir intégrer à l’avenir
de nouveaux capteurs.
Un système miniature et léger
Compte tenu de la faible envergure du drone (140 cm), la chaîne
de mesure a dû être miniaturisée afin de respecter la limite de
poids de la charge embarquée (1000 g).
Le drone permet d’effectuer des mesures non destructives en hauteur
et en milieux à hauts risques.
L’objectif de cette solution technique est de permettre la réalisation
des mesures en laissant l’opérateur en zone sécurisée mais
également de permettre un gain en réactivité par rapport aux
alternatives classiques basées sur une nacelle ou un échafaudage.
L’architecture retenue et mise en œuvre consiste à utiliser un
système autonome pour interfacer les entrées/sorties physiques
sur le drone et communiquer avec la station au sol. Elle assure
par ailleurs une communication directe entre la station au sol et
la carte de mesure.
Une carte de type ARM a été utilisée pour gérer l’acquisition et la
génération des signaux analogiques et logiques, et communiquer
Ce travail a fait l’objet d’un dépôt de brevet.
de manière bidirectionnelle avec la station sol via un protocole de
communication Ethernet TCP. Le
programme de la carte ARM a
« Le programme de la carte ARM a été rapidement développé
été rapidement développé grâce
grâce au Module LabVIEW Embedded for ARM Microcontrollers. »
au Module LabVIEW Embedded
for ARM Microcontrollers.
Piloter à distance l’ensemble de la chaîne de mesure
Dans le cadre de ce projet, NÉRYS a été contacté pour prendre en
main la conception mécanique du système d’injection automatisé
de fluide, nécessaire à la bonne prise de mesures, et pour
90 ni.com/france
Concernant le PC au sol, l’application a été développée sous
LabVIEW. Le logiciel Report Generation Toolkit a été installé en
supplément, pour la lecture du fichier de configuration ainsi que
pour l’écriture dans le fichier résultat au format Word.
Lors de la génération du fichier résultat, les données sont enregistrées
dans le fichier qui a été chargé au lancement de l’essai et qui contient
les paramètres de configuration. Les images sont téléchargées du
serveur Linux du drone et intégrées dans le fichier résultat.
Vers l’industrialisation du système
Les tests en laboratoire ont permis de valider la pertinence de
l’usage d’un tel matériel. Les tests en conditions réelles ont validé
le principe de la mesure et du fonctionnement de l’ensemble.
Aujourd’hui la chaîne de mesure est optimisée afin d’industrialiser
le système drone pour expertises industrielles.
Sur le PC au sol, l’utilisateur peut visualiser en temps réel la mesure
relevée par le drone.
Une visualisation de la mesure en temps réel
L’interfaçage avec le boîtier de mesure d’ultrasons se fait via
l’utilisation de l’ActiveX du boîtier et l’utilisation de méthodes
« get » et « set ».
Florent DUVINAGE
NÉRYS
1480, avenue d’Arménie
Pôle d’Activités Yvon Morandat
13120 Gardanne
Tél. : +33 (0)4 42 25 52 02
Web : www.nerys.biz
Le principal intérêt de cet interfaçage réside dans le fait de
permettre à l’utilisateur de visualiser en temps réel la mesure
prise pour valider celle-ci ou diagnostiquer un défaut.
ni.com/france
91
Système de contrôle/commande
embarqué, destiné à une application
Lauréat
2011
Par Pascal WATTELLIER, SERIMAX
L’objectif :
La soLution :
Développer un système de soudage de tubes de pipelines,
automatique et durci, à la pointe de la technologie, qui soit capable
de satisfaire la variété des exigences des clients, d’optimiser la
durée d’utilisation du matériel et de respecter les standards les
plus sévères en matière de fiabilité et de qualité.
Utiliser le logiciel NI LabVIEW pour toutes les tâches de commande
d’axes moteurs, de surveillance d’état et de logique, ainsi que le
matériel NI CompactRIO comme cible de déploiement afin de créer
une nouvelle machine de soudage automatique.
En tant qu’entreprise internationale qui propose des prestations
de soudage complètes, SERIMAX planifie, conçoit, gère et fournit
des solutions totalement intégrées pour toutes les opérations de
soudages, en mer comme à terre, dans les conditions les plus
extrêmes et dans des environnements très difficiles. Depuis plus
de 30 ans, l’entreprise s’est forgé une réputation qui s’articule
autour de la qualité, de la productivité et de l’innovation, et que
nous prenons continuellement soin de renforcer. Au travers
d’innovations permanentes et en respectant des exigences de
qualité contractuelle et des normes professionnelles, SERIMAX
respecte et dépasse même les exigences fixées par ses clients
les plus exigeants.
pour une opération automatisée. Une conception légère est
importante pour garantir une cadence élevée.
L’industrie pétrolière et gazière se caractérise par une philosophie
à « zéro défaut » en ce qui concerne les joints de soudure. Ainsi,
ses exigences s’apparentent beaucoup à celles de l’industrie
nucléaire.
Exigences et problèmes propres au système
de soudage des pipelines
Pour mieux servir nos clients qui déploient nos solutions dans
des conditions aussi variées que le froid glacial subarctique ou
la chaleur accablante du désert, nous avons dû développer nos
propres systèmes de soudage innovants. En intégrant nous-mêmes
les systèmes de contrôle/commande embarqués, nous savons
précisément ce dont notre équipement est capable, et pouvons
donc exiger de sa part des performances optimales quelles que
soient les conditions. Nous avons mis au point un système
polyvalent, capable de gérer toutes sortes de procédés de
soudage, du soudage GMAW (soudage à l’arc sous gaz protecteur)
classique au soudage GMAW à double impulsion, en passant par
le soudage CMT à froid. Avec ce procédé CMT, il est possible
de souder à des températures nettement plus basses, avec un
impact thermique moindre sur la matière brute, d’où une qualité
de soudage supérieure.
Pour optimiser la cadence et garantir une durée d’utilisation optimale
de l’équipement de soudage, le système SX09 est conçu sur la
base « chariot et anneau » (bug-and-band), qui combine un anneau
encerclant le tube et un chariot compact qui incorpore les torches
de soudage ainsi que tous les mécanismes et moteurs nécessaires
92 ni.com/france
De conception innovante, le système SX09 combine un anneau
encerclant le tube à souder et un chariot compact qui incorpore
les torches de soudage ainsi que tous les mécanismes et moteurs
nécessaires pour une opération automatisée.
Intégrer divers besoins dans un même système
de contrôle/commande
Contrôler ces machines particulières nécessite un système de
contrôle/commande embarqué et modulaire capable de gérer des
E/S analogiques pour les tâches de surveillance d’état, ainsi que
des E/S numériques pour effectuer des opérations logiques et
communiquer avec des sous-systèmes. En outre, le système
embarqué a besoin de contrôler sept moteurs pour déplacer la
tête de soudage autour du tube, en plus de devoir déplacer la
torche de soudage, pour garantir un joint de soudure durable.
Le système de contrôle des moteurs nécessitait aussi des
mouvements étroitement synchronisés sur plusieurs axes, une
puissance efficace ainsi qu’un amplificateur de puissance compact.
Pour un fonctionnement simplifié, le système embarqué a besoin
de supporter des protocoles de communication industrielle et de
s’interfacer à un système de contrôle en production avec une
interface homme-machine (IHM) associée, ainsi qu’un terminal
de poche personnalisé.
Dès le début de la conception du nouveau système SX09, nous
avons évalué les différentes approches possibles pour intégrer la
commande d’axes avec le système de contrôle/commande. À ce
moment-là, nous nous sommes rendu compte que la solution
personnalisée utilisée dans le passé ne nous permettait pas d’innover
aussi nettement que nous le voulions pour satisfaire les besoins
de notre client. Le CompactRIO s’est révélé être le seul système à
pouvoir être utilisé pour intégrer les fonctionnalités de commande
d’axes, de mesures d’E/S et d’IHM dans un même système.
EtherCAT déterministe. Les lignes d’E/S numériques servent
d’interface entre un terminal de poche durci et le système
CompactRIO pour permettre à l’opérateur d’initier les tâches
de la machine.
Une IHM mise en œuvre sur un ordinateur à écran tactile NI TPC2206 fournit des informations sur l’état de la machine et permet
une interaction avec la machine pour des actions de configuration
supplémentaires. LabVIEW Web Services fournit une interface
supplémentaire à nos ingénieurs afin d’assurer la maintenance
de la machine en bon état même depuis des endroits éloignés.
En utilisant LabVIEW comme outil de développement pour
toutes les composantes du système de contrôle/commande,
nous avons pu bénéficier du réseau d’intégrateurs de systèmes
de National Instruments. Ainsi, nous avons souhaité travailler
avec Arcale, Partenaire Alliance de National Instruments, pour
une partie de la conception et du développement.
Système de commande contenant les modules d’E/S et les unités
de commande d’axes dans un système CompactRIO et un châssis
d’extension EtherCAT
Le choix de SERIMAX pour la technologie
National Instruments
Nous avons choisi la technologie NI pour les performances
exceptionnelles du CompactRIO et les avantages en termes de
productivité des outils de conception graphique de systèmes.
Notre expérience réussie avec des machines
existantes (Saturnax07 et Externax), sur
« Le système CompactRIO nous a permis de créer un
lesquelles la technologie NI était utilisée pour
système de contrôle/commande embarqué performant,
des besoins de surveillance, le support de
capable de satisfaire nos exigences les plus pointues. »
très grande qualité et les efforts fournis par
les ingénieurs de NI nous ont incités à
Nous avons utilisé LabVIEW pour mettre en œuvre les différentes
envisager la technologie NI pour des tâches avancées de commande
parties de notre application avec un seul et unique outil de conception,
d’axes sur le nouveau système STX09. La dimension internationale
et avons développé une architecture d’application modulaire simple
du support de NI, ainsi que les formations proposées, sont autant
à supporter, et capable d’être maintenue et étendue par n’importe
d’avantages qui ont présidé au choix de la plate-forme NI, laquelle
quel ingénieur doté de connaissances en LabVIEW. LabVIEW est
offre toutes les certifications nécessaires et répond aux standards
le seul outil logiciel à encapsuler des fonctions complexes grâce à
de qualité que nous attendons de la part de nos sous-traitants.
son niveau élevé d’abstraction. Ainsi, nous pouvons facilement et
Tout au long du processus de conception, l’ingénieur commercial
rapidement développer et déployer des applications ainsi que des
NI local a été un conseiller digne de confiance qui a guidé notre
modules de soudage tout en garantissant le niveau de qualité le
équipe technique en sachant impliquer, le moment venu, des
plus élevé possible.
ressources techniques et des sociétés partenaires de NI.
Déploiement durci avec CompactRIO et LabVIEW
Nous avons distribué l’application de contrôle/commande sur deux
systèmes CompactRIO différents en utilisant une communication
EtherCAT déterministe. La majorité des voies d’E/S nécessaires
pour la surveillance et la logique sont embarquées dans un système
CompactRIO très performant composé d’un contrôleur NI cRIO9022 et d’un fond de panier modulaire NI cRIO-9114. Un châssis
d’extension CompactRIO EtherCAT (NI 9144) abrite sept modules de
la Série C de NI qui sont directement connectés à deux servomoteurs
DC sans balai et cinq avec balais. Un module d’entrée numérique
de Série C dans le même châssis offre toutes les voies nécessaires
pour les opérations de commutation et d’autres E/S en rapport
avec les mouvements à effectuer. Grâce au Module LabVIEW FPGA
et aux blocs IP du Module LabVIEW NI SoftMotion, nos ingénieurs
ont mis en œuvre tous les algorithmes de mouvement personnalisés
sur le module NI 9144 afin de créer une unité de commande à
sept axes qui réponde parfaitement à nos exigences spécifiques
et se connecte au contrôleur temps réel via la communication
Avec ses capacités d’E/S et de commande d’axes avancées,
associées à la souplesse et à la fiabilité du FPGA, le système
CompactRIO nous a permis de créer un système de contrôle/
commande embarqué performant, capable de satisfaire nos
exigences les plus pointues.
Pascal WATTELLIER
SERIMAX
8, rue Ernest Mercier Z.l. Mitry Compans
77290 Mitry-Mory
Tél. : +33 (0)1 60 21 67 00
Web : www.serimax.com
ni.com/france
93
Le NI CompactRIO fait l’ouverture des
marchés financiers
Par Lionel GIROD, STEP AUTOMATION AND TEST (STEP AT)
L’objectif :
La soLution :
Mesurer le temps de transfert des données pour les
applications boursières de faible latence.
Utiliser la plate-forme CompactRIO et des modules
personnalisés pour l’acquisition des données envoyées
par paquet en UDP multicast et horodater ces paquets
à l’aide d’un serveur de temps NTP.
La société STEP AT est spécialisée dans la conception de produits
pour les applications embarquées et temps réel et notamment
dans la personnalisation de la plate-forme CompactRIO au travers
de modules complémentaires permettant d’ajouter des fonctionnalités
à la cible FPGA. C’est dans ce cadre que la société Wall Street FPGA,
basée à New York et intervenant dans le domaine de la finance
pour une société d’information financière américaine, a fait appel
à nos services.
les valeurs de cotation afin d’autoriser les spéculations. Ces données
sont encapsulées dans des paquets UDP multicast espacés entre
eux de 200 microsecondes. Chaque microseconde passée dans
les tuyaux du réseau interne des agences retarde leur diffusion,
c’est pour cela qu’une connaissance approfondie des temps de
propagation des précieuses données est indispensable et ceci
passe par l’utilisation d’une source de temps précise telle qu’un
serveur NTP (Network Time Protocol).
Minimiser la latence
La plate-forme CompactRIO permet, grâce
à l’intégration d’un FPGA, d’élaborer des
applications en minimisant la latence dans
l’acquisition et le traitement des données.
Dans cette application, la société Wall Street
FPGA désirait donc acquérir et traiter les
données uniquement à partir du FPGA sans recourir au contrôleur
temps réel. Le principal problème résidait dans le fait que les drivers
UDP multicast et le client NTP ne sont disponibles que sur le
contrôleur et sont donc inexploitables dans cette application.
« La plate-forme CompactRIO permet, grâce à l’intégration
d’un FPGA, d’élaborer des applications en minimisant la
latence dans l’acquisition et le traitement des données. »
La même origine temporelle pour tout le monde
Les données de cotation des valeurs boursières sont diffusées
par des agences spécialisées dont un classement est effectué
de manière régulière afin de permettre aux abonnés de choisir
la plus performante. Une de ces agences a confié à Wall Street
FPGA le soin de concevoir un système de mesure de performances
pour chercher un moyen d’accélérer le temps de diffusion de
ces données.
La technologie FPGA est de plus en plus utilisée dans le domaine
boursier afin d’accélérer les traitements.
Lors de l’ouverture des marchés, des « interrupteurs » présents
dans chaque agence se ferment, permettant à celles-ci de diffuser
94 ni.com/france
Un module CompactRIO sur mesure pour répondre
au besoin
Wall Street FPGA nous a contactés pour trouver une solution
permettant de traiter les paquets UDP multicast et NTP directement
à partir du FPGA en passant par un module de la Série C conçu
pour le besoin. Nous avions développé depuis peu un module
CompactRIO basé sur un processeur ARM proposant un degré
de personnalisation assez élevé, notamment grâce à la programmation
du cœur du module à l’aide de NI LabVIEW Embedded for ARM,
et c’est naturellement que nous avons proposé de répondre au
besoin (UDP multicast et client NTP) avec deux modules basés
sur la même architecture matérielle (processeur ARM), mais avec
un firmware différent.
Le premier module est chargé de récupérer les paquets
correspondant aux valeurs boursières et de les transmettre
au fond de panier FPGA via un bus SPI. Le deuxième module
permet de fournir une source d’horloge suffisamment précise
pour l’horodatage des paquets UDP.
Des exigences très élevées
Le client final souhaitait pouvoir acquérir les paquets UDP et les
dater avec une précision inférieure à 100 microsecondes. La seule
manière d’y parvenir consistait à synchroniser l’horloge interne du
microprocesseur ARM avec une horloge de précision venant d’un
serveur de temps NTP. Le principe de la synchronisation sur un
réseau Ethernet consiste à estimer un retard entre l’horloge maître
(celle du serveur issue d’une horloge atomique ou GPS) et celle de
l’esclave (horloge du module CompactRIO) grâce à des échanges
de marqueurs de temps permettant de recaler l’horloge esclave.
Le but étant de dater très précisément les paquets, le module
de réception UDP déclenche une ligne numérique directement
envoyée au module NTP pour minimiser la latence quant à la
détermination du temps absolu de réception de la trame UDP.
Une mise au point simplifiée
Grâce à l‘utilisation conjointe des Modules LabVIEW FPGA et
LabVIEW Embedded for ARM, nous avons pu mettre au point une
solution pour Wall Street FPGA et leur permettre de proposer ce
système de mesure de performance dans des délais raisonnables
malgré la distance et l’impossibilité pour nous de réellement
déboguer l’application sur site.
Le principe de synchronisation des horloges par NTP est basé sur
un échange de trame UDP contenant des marqueurs de temps
permettant de calculer l’écart avec l’horloge maître.
Si, à l’avenir, la solution est validée par le client, nous pourrions
fournir de nouveaux modules à Wall Street FPGA dans l’optique
d’équiper de nouvelles agences aux États-Unis.
Lionel GIROD
STEP AUTOMATION AND TEST (STEP AT)
41, rue des métiers
83140 Six-Fours-Les Plages
Tél. : +33 (0)4 94 62 86 80
Web : www.stepat.com
Les trames UDP contiennent des données de valeurs boursières
permettant aux opérateurs de spéculer.
ni.com/france
95
Station biologique de La Selva
(Costa Rica)
NI LabVIEW et NI CompactRIO ont permis
de développer un système de gestion de
capteurs sans fil pour enregistrer un large
éventail de mesures environnementales.
Vous avez développé une application avec
des produits National Instruments ?
N’hésitez pas à rédiger vous aussi un article d’utilisateur !
Chaque article d’utilisateur est :
n
publié sur la page la plus visitée de NI France (ni.com/france/articles)
n
diffusé à des milliers de scientifiques et d’ingénieurs dans l’édition française de la lettre électronique NI News
n
intégré à la brochure annuelle des applications d’utilisateurs (que vous avez entre les mains)
n
affiché en poster sur l’exposition NIDays
n
inscrit d’office au concours des meilleures applications de l’année
organisé en partenariat avec le magazine Mesures
– remise des prix lors de l’édition suivante de NIDays
– cadeaux de valeur pour chacun des lauréats (5 catégories)
– séjour tous frais payés à NIWeek pour le vainqueur toutes catégories confondues
– compte-rendu dans le magazine Mesures et sur mesures.com
Si vous êtes intéressé(e) :
n
visitez, pour tout savoir, nidays.fr/concours
n
manifestez-vous sans tarder auprès de Patrick renard ( 01 57 66 24 31 ou [email protected]).
nidays.fr/concours
Siemens Wind Power A/S
NI LabVIEW, NI CompactRIO et le PXI ont
permis de développer un système temps
réel pour le test HIL (hardware-in-the-loop)
de systèmes de contrôle d’éoliennes.
NATIONAL INSTRUMENTS France n 2 rue Hennape n 92735 Nanterre Cedex, France n Tél. : (0)1 57 66 24 24 n Fax : (0)1 57 66 24 14
Société de droit américain n capital social 1.000,00 dollars US n 11500 N Mopac Expwy, Austin-Texas USA n 10056236 n 344 497 649
RCS Nanterre n SIRET B 344 497 649 00022 n APE 516J - N.I.I. FR 57344497649
©2012 National Instruments. Tous droits réservés. LabVIEW, National Instruments, NI, ni.com, le logo de la société National Instruments et le logo
de l’Aigle sont des marques de National Instruments Corporation. La marque LabWindows est utilisée sous licence Microsoft Corporation. Windows
est une marque déposée de Microsoft Corporation aux États-Unis et dans d’autres pays. Les autres noms de produits et de sociétés mentionnés aux
présentes sont les marques ou les noms de leurs propriétaires respectifs.
Un National Instruments Alliance Partner est une société de service ou un intégrateur totalement indépendant de National Instruments. 03294
A0 Solution Panels_v2.indd 3
5/10/11 10:01:50 AM

applications d`utilisateurs

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