Automatismes : Le robot intègre la sécurité étape par étape

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AUTOMATIS M E S
Le robot intègre
la sécurité étape par étape
Reportage
chez
Coriolis
Composites
H
Coriolis Composites conçoit des robots spécialisés dans la fabrication de pièces en composites. Les machines ont profité
des diverses évolutions technologiques proposées par Siemens en matière de sécurité. Aujourd’hui, elles bénéficient d’une
solution de sécurité intégrée : leur architecture est simplifiée et elles ont gagné en capacités de diagnostic et en flexibilité.
La machine mise au point par Coriolis Composites est
la seule sur le marché à permettre la fabrication de pièces
composites de grandes dimensions avec des formes concaves,
à faible rayon de courbure (comme cet élément de fuselage
d’avion). L’innovation provient du magasin de bobines
de carbone et surtout de la tête de dépose des rubans,
qui ont fait l’objet de plusieurs brevets. Les bras robotisés,
quant à eux, sont des modèles standard du marché.
G
râce aux solutions de “sécurité
intégrée”, les données relatives
au contrôle-commande et à la
sécurité transitent sur un même
réseau. Le concept présente des avantages tels
que l’amélioration du diagnostic et la diminution des coûts de câblage. Dans les industries manufacturières ou de process, il est
difficile de remettre en cause l’architecture
d’un site uniquement pour intégrer les fonctions de sécurité, d’autant plus que les applications de sécurité doivent être certifiées et
conformes aux normes en vigueur. Pour les
fabricants de machines spéciales, en revanche, la problématique est différente : pour
rester compétitifs, ces industriels doivent
proposer des machines toujours plus innovantes, en utilisant les dernières technologies
disponibles sur le marché. Coriolis Composites
en fait partie. Cette société basée à Lorient
développe des machines dédiées à la fabrication de pièces en matériaux composites.
Pour cela, elle utilise des bras robotisés
(fournis par Kuka ou ABB) qu’elle équipe de
têtes spécialement conçues pour la dépose
de fibres de carbone. Comme il s’agit de robots de grandes dimensions, la sécurité revêt
un caractère primordial. Et pour une jeune
société qui souhaite travailler avec de grands
groupes aéronautiques comme Airbus,
Dassault, EADS ou Bombardier, il faut que les
équipements proposés soient irréprochables
sur ce point. « Nous sommes la première société
à avoir eu l’idée d’utiliser des robots pour la dépose
de carbone, lance Clémentine Gallet, cofondatrice de Coriolis Composites. Auparavant, on ne
trouvait sur ce marché que des constructeurs issus
du monde de la machine-outil à commande numé-
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rique. Mais ces machines-outils sont peu flexibles
car très limitées en termes de formes et de dimensions de pièces. Avec notre solution basée sur des
robots, on gagne énormément en flexibilité : le bras
peut s’adapter à tous types de formes concaves ou
convexes, et la machine peut être utilisée pour fabriquer de très petites ou de très grandes pièces, comme
par exemple des éléments de fuselage d’avion. » On
l’aura compris : les robots de Coriolis
Composites se distinguent par leur technicité.
La tête qui dépose les
rubans de fibre de carL’essentiel
bone fait à elle seule
l’objet d’une demi- PCoriolis Composites
a développé une technique
douzaine de brevets.
Première étape :
le robot est maître
du procédé
En 2006, lorsque la société développe ses premières machines pour
l’industrie aéronautique, celles-ci n’intègrent pas d’automate.
Tout le pilotage s’effectue directement dans la
baie de commande du
bras robotisé où sont
installés les variateurs
de vitesse pour les différents moteurs. Le ➜
innovante pour la fabrication
de pièces complexes en matériaux composites.
PLa société a suivi l’évolution
de l’offre de Siemens en matière de sécurité.
PPartie d’une solution
à base de logique câblée, elle a d’abord installé un automate de sécurité qui améliore le diagnostic en cas de panne.
PDepuis qu’elle a mis en place
une solution de sécurité
intégrée, de nouvelles
fonctions ont pu être
intégrées à ses robots.
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Un bras robotisé pour les pièces composites
En 1996, Clémentine Gallet, Yvan Hardy et Alexandre Hamlyn mettent au point une machine
réalisant des coques de voiliers en carbone. Leur idée est d’apporter une solution industrielle aux fabricants de pièces en matériaux composites qui travaillent encore, pour la plupart, manuellement. C’est en 2001 que les trois ingénieurs ont l’idée d’employer un bras robotisé : beaucoup plus
flexible qu’une machine-outil, le robot peut répondre aux problématiques des pièces les plus
grandes et les plus complexes. Ils fondent la société Coriolis Composites. La technologie intéresse
les fabricants de bateaux et d’éoliennes, mais aussi les constructeurs aéronautiques. Pour tous ces industriels, les matériaux composites procurent une nette réduction du poids et assurent une bonne résistance mécanique tout en étant insensibles à la corrosion.
Aujourd’hui, les robots font l’objet de nombreux brevets, que ce soit pour l’outil de dépose du carbone ou pour le magasin qui contient les bobines (des rubans de fibres de carbone préimprégnés de résine). Ils sont proposés avec différentes largeurs d’outils selon le type de pièces
à produire. Ils peuvent être fixes, ou installés sur un axe linéaire afin d’étendre leur champ d’action.
D’autres axes peuvent également être installés, s’il est nécessaire de tourner la pièce pendant la dépose du carbone.
Pour chaque nouveau projet, le fabricant breton conseille et accompagne ses clients pour concevoir
la machine adaptée au type de pièces à produire. En effet, même si les têtes de dépose et les dévidoirs sont standard, la cellule de production est différente pour chaque projet. Le client
pourra produire les pièces qu’il souhaite dans les limites de la géométrie de sa machine. Pour la partie applicative, le logiciel d’ingénierie CADFiber lui permettra de définir les trajectoires
d’outils, simuler la production pour s’assurer de la faisabilité (vérifier que la pièce est compatible avec
la cinématique de la machine et qu’il n’y a pas de collision), et enfin générer le programme final.
➜ calcul des trajectoires de l’outil et la gestion des dévidoirs de rubans de carbone sont
effectués en utilisant l’interface fournie par
le fournisseur du robot. La communication
entre le robot et tous les capteurs et actionneurs installés sur la tête de dépose s’effectue
via un bus de terrain Profibus. A l’époque, la
sécurité est réalisée en filaire (on parle de
“logique câblée”). Concrètement, les contacteurs de portes et les boutons d’arrêt d’urgence sont directement connectés aux chaînes de sécurité du robot.
Deuxième étape :
l’arrivée du PC industriel
Quelques mois plus tard, Coriolis Composites
enregistre ses premières ventes et l’activité
prend de l’ampleur. Les dirigeants intègrent
à leurs équipes des spécialistes en informatique industrielle. Ces derniers sont chargés
de développer une interface homme-machine propre au métier du composite, mais
aussi d’améliorer la partie automatismes de
la machine. « Nous savions qu’il allait falloir
apporter d’autres fonctions au robot, c’est pourquoi
nous avons choisi d’installer un PC industriel au
lieu d’un automate classique, poursuit PierreMarie Cadudal, responsable automatismes et
robotique chez Coriolis Composites.
Premièrement, nous avions d’importants besoins en
traçabilité : pour chaque bande de carbone déposé, on
voulait connaître la température et l’hygrométrie
ambiante, la pression appliquée par la tête du robot
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ainsi que la température à laquelle les fibres sont
chauffées. Cela représente un volume de données
conséquent, et il nous fallait les capacités de stockage
d’un PC. Deuxièmement, nous souhaitions faciliter
l’utilisation de la machine en installant une caméra
sur la tête du robot, juste derrière le rouleau de dépose. Ce qui est plus pratique pour surveiller la
réalisation de pièces complexes, surtout quand l’opérateur est loin de la pièce en question. Cela lui évite
de se déplacer et de prendre des risques inutiles. Là
encore, le PC s’imposait car il fallait intégrer la
carte d’interface de la caméra. Pour toutes ces raisons, et après avoir envisagé différents produits disponibles à l’époque sur le marché, nous avons finalement opté pour un PC Box 627 de Siemens. Ce
modèle est compact, ce qui facilite son installation
dans l’armoire électrique, et il dispose d’emplace-
ments libres pour ajouter des cartes PCI. » D’autres
critères sont également entrés en ligne de
compte lors du choix du PC industriel.
Comme il ne comporte aucune pièce tournante à part le disque dur, il ne nécessite
pratiquement aucun entretien. De plus, l’atelier logiciel WinAC RTX, qui est livré avec le
PC, permet de développer relativement facilement des applications avec des contraintes
temps réel fortes.
Dès cet instant, c’est le PC industriel qui joue
le rôle de chef d’orchestre de l’application.
Le robot passe du rôle de maître Profibus à
celui d’esclave. Il est sous les ordres du PC
tout comme les stations d’entrées/sorties
déportées. La partie sécurité, quant à elle,
n’est pas modifiée : l’armoire, sur laquelle
sont branchés les composants de sécurité, est
toujours reliée en filaire à la baie de commande du robot.
Les clients demandent
de nouvelles fonctions de sécurité
« Nos premiers clients étaient surtout des services
de recherche et développement, à l’instar de EADS
Innovation Works, la branche d’EADS qui est chargée de toutes les études sur les nouvelles technologies,
nous confie Pierre-Marie Cadudal (Coriolis
Composites). Les machines étaient donc manipulées
uniquement par des experts. Elles n’étaient soumises
à aucun impératif de cadence, car on n’envisageait
pas de confier la production à des opérateurs dans
l’immédiat. Car même si les grands groupes aéronautiques s’intéressent depuis longtemps aux matériaux composites, sur ce marché on ne change pas
de technologie du jour au lendemain : c’est seulement
une fois que les caractéristiques mécaniques des pièces composites sont parfaitement connues et maîtrisées que l’on peut passer à leur industrialisation.
Toutefois, au fil des commandes, on a vu progressivement arriver des cahiers des charges de plus en plus
complexes. »
Parmi les nouvelles demandes des clients, on
voit apparaître la gestion des barrières im- ➜
Le logiciel CADFiber proposé
avec les machines a été
entièrement développé
par Coriolis Composites.
L’industriel importe
un modèle CAO de sa pièce,
puis il utilise le logiciel
pour définir les trajectoires
de l’outil, en fonction
des caractéristiques
mécaniques souhaitées.
CADFiber comporte également
un outil de simulation
pour vérifier la faisabilité
de l’opération en fonction
de la géométrie de la machine
(chaque machine possède
une cinématique différente,
adaptée aux besoins du client).
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L’évolution de l’architecture en quatre étapes
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Dans la conception originale de la machine,
toute l’architecture est centrée autour du robot.
Ce dernier est le maître d’un réseau Profibus sur lequel sont mis tous les capteurs et actionneurs installés par Coriolis (pour l’outil qui dépose
le carbone, et aussi pour la gestion du magasin qui contient les bobines). Les composants de sécurité sont, quant à eux, reliés par câble à l’armoire d’alimentation générale. A l’époque, il ne s’agissait que de contacteurs de portes et de boutons d’arrêt d’urgence.
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Le PC industriel fait son apparition.
C’est désormais lui qui joue le rôle de maître
Profibus. Il commande le robot ainsi que les autres
actionneurs de la machine. La partie sécurité n’est
pas impactée. Ses composants sont toujours reliés
directement à l’alimentation électrique du robot.
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La troisième étape marque l’arrivée de l’automate de sécurité. L’architecture de la machine est fortement modifiée. Désormais,
à part le robot qui est toujours piloté par le PC industriel, tous les capteurs et actionneurs remontent leurs informations vers l’automate de sécurité via un bus ProfiSafe. Principal intérêt : un câble unique parcourt toute la cellule. Afin que le PC continue d’agir sur les entrées/sorties, une passerelle Ethernet est installée entre l’automate de sécurité et le PC. Cette passerelle sert également à transmettre les informations de sécurité vers le PC pour faciliter le diagnostic en cas de panne.
Enfin, grâce à l’automate de sécurité, la machine peut désormais intégrer des composants de sécurité plus évolués, comme des barrières
immatérielles ou des scrutateurs laser. Ces derniers présentent moins de contraintes pour les utilisateurs que des barrières physiques.
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Aujourd’hui, la machine dispose d’une solution
de sécurité totalement intégrée. L’automate de sécurité a été remplacé par une application de sécurité dans le PC. L’architecture est simplifiée
car on s’affranchit de la passerelle Ethernet.
Le bus de terrain Profibus subsiste pour le pilotage
du robot, mais quand les constructeurs de robots
proposeront des armoires de commande
compatibles ProfiSafe, Coriolis Composites pourra
mettre en place un bus ProfiSafe unique pour
toute l’application.
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dans l’application WinAC et dans celle concernant la sécurité.
La cohabitation des deux applications d’automatismes ne durera pas longtemps. En 2009,
Siemens lance sa solution de sécurité intégrée.
« Le logiciel WinAC RTX F apporte à WinAC les
fonctions de sécurité qui lui faisaient défaut jusqu’alors, explique Frédéric Lentz, responsable
des produits d’automatismes sur base PC
chez le constructeur allemand. Il est désormais
possible d’utiliser le même PC industriel pour développer une application d’automatismes et une
application de sécurité. » Coriolis Composites voit
immédiatement comment il peut tirer profit
d’une telle solution.
Au fur et à mesure que l’architecture de la machine a été améliorée, la partie opérative a gagné de nouvelles fonctionnalités.
D’abord, une caméra a été montée sur la tête du robot. Grâce à elle, l’opérateur contrôle la dépose du carbone depuis son interface
homme-machine. Ensuite, une liaison OPC a été mise en place pour remonter un plus grand nombre de données. Par exemple, l’opérateur
est informé lorsqu’une bobine de carbone est terminée, chose qui n’était pas possible avec les premières versions de la machine.
➜ matérielles et des scrutateurs laser. En
effet, la plupart des robots sont installés sur
des rails afin d’augmenter leur champ d’action et d’autoriser la fabrication de pièces de
grandes dimensions. Mais la zone dangereuse
s’étend elle aussi : une personne placée à une
dizaine de mètres du bras peut se croire hors
d’atteinte, alors qu’en fait elle peut être percutée lorsque robot se déplace. Or, on ne peut
pas installer des barrières tout autour de la
zone, car les déplacements dans l’atelier deviendraient compliqués, et surtout car il faut
que les engins de levage puissent arriver au
pied du robot pour manutentionner les pièces fabriquées. D’où l’intérêt des barrières de
sécurité qui coupent l’alimentation dès
qu’une personne franchit le faisceau lumineux mais qui, quand le robot ne fonctionne
pas, n’empêchent pas la circulation des employés et des engins de manutention.
Troisième étape : l’apparition
de l’automate de sécurité
La gestion des barrières immatérielles et des
scrutateurs aurait pu être prise en charge par
de la logique câblée, mais il fallait pouvoir
délimiter plusieurs zones autour du robot,
avec des niveaux de dangerosité différents
selon la tâche réalisée par le robot. « A cette
époque, notre solution de sécurité sur base PC n’était
pas encore disponible, déclare François Morice,
ingénieur commercial chez Siemens. Nous
avons donc orienté Coriolis Composites vers un
dispositif à base d’automate de sécurité, en l’occurrence le modèle ET200S CPU F. Ce dernier est livré
avec un outil de configuration pour créer facilement
des zones présentant différents niveaux de sécurité
selon l’état du système. »
Outre le fait de gérer plusieurs zones de sé-
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curité, l’automate a permis d’améliorer le
diagnostic en cas de panne d’un composant.
En effet, en transitant via ProfiSafe et Ethernet,
toutes les informations liées à la sécurité remontent désormais jusqu’à l’IHM de l’opérateur, ce qui n’était pas le cas en logique
câblée. Cette fonction prend tout son sens
pour ce type de machines de grandes dimensions : lorsqu’un arrêt d’urgence est
déclenché ou qu’un capteur tombe en
panne, la cause de l’arrêt est immédiatement
identifiée et le temps d’indisponibilité de la
machine s’en trouve réduit.
Le paramétrage de l’application de sécurité
a gagné en simplicité, mais l’architecture de
la machine est par ailleurs plus complexe. En
effet, l’installation de l’automate de sécurité
s’accompagne de la mise en place d’un bus
de terrain spécifique à la sécurité, en l’occurrence ProfiSafe. Les ingénieurs de Coriolis
Composites ont choisi de connecter tous les
capteurs et actionneurs (qu’ils concernent le
process ou la sécurité) sur ce bus de terrain
Profisafe. Afin que les données liées au process puissent toujours remonter jusqu’au PC
industriel, une passerelle Ethernet est installée entre l’ET200S CPU F et le Box 627. Les
performances de cette passerelle ont fait
l’objet d’une étude : « pour que les échanges
soient effectués dans de bonnes conditions, nous avons
paramétré le réseau Ethernet de manière à ce qu’il
soit rafraîchi tous les dixièmes de secondes », poursuit François Morice (Siemens). Enfin, comme
on a désormais deux applications d’automatismes différentes, il faut faire attention à ne
pas commettre d’erreurs. Un exemple : pour
que les données en provenance des capteurs
parviennent jusqu’au PC, il faut impérativement que les variables aient le même nom
Quatrième étape : la sécurité
est entièrement intégrée
La machine subit donc une quatrième transformation. Exit le réseau Ethernet, délicat à
configurer, et qui introduit de la latence. Fini
la cohabitation – source d’erreurs – entre
différentes applications. Désormais, tous les
éléments sont directement reliés au PC : le
robot, les entrées/sorties déportées et les
composants de sécurité. « Pour l’utilisateur
final, cela change tout. C’est une nouvelle manière
d’appréhender la sécurité, assure Pierre-Marie
Cadudal (Coriolis Composites). Aujourd’hui, on
n’est plus obligé d’arrêter systématiquement le robot.
Son espace de travail est limité automatiquement
quand une personne pénètre dans une certaine zone.
On peut aussi prévoir des opérations de maintenance
pendant lesquelles le robot travaille à vitesse réduite.
Surtout, on dispose d’une grande flexibilité, ce qui
est vraiment important, puisque chaque machine est
unique et doit être adaptée aux besoins du client. »
Le processus d’amélioration se poursuit : les
ingénieurs de Coriolis Composites comptent
encore augmenter d’un cran la flexibilité de
leurs machines en intégrant la sécurité à leur
logiciel CADFiber. Aujourd’hui, ce logiciel
permet au client de programmer son application (géométrie de la pièce, épaisseur de
carbone, trajectoires de l’outil, etc.). A l’avenir, il prendra en compte les différentes
contraintes de sécurité pour analyser la faisabilité d’une production. Concrètement, les
zones de sécurité de la machine seront prises en charge dans la partie simulation du
logiciel. Ce dernier pourra alerter l’utilisateur si jamais le programme oblige le robot
à violer certaines zones de sécurité (si son
bras croise le faisceau d’un scrutateur, par
exemple). L’utilisateur pourra alors corriger
immédiatement son programme. Ainsi, le
lancement en production de programmes
non conformes vis-à-vis de la sécurité sera
d’emblée évité.
Frédéric Parisot
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