Architecture PLC trois niveaux pour pont roulant

Architecture à trois niveaux du pont roulant

Le système de commande PLC du pont roulant sans opérateur repose sur une architecture distribuée classique à trois niveaux : niveau terrain, niveau commande et niveau gestion. Le niveau terrain comprend les variateurs de fréquence (G120/SINAMICS S120), les codeurs, les télémètres laser, les fins de course, les capteurs à barrière optique, les verrous de sécurité de porte, etc., qui échangent des données en temps réel avec l'API du niveau commande via le bus PROFINET. Le niveau commande, articulé autour de l'API de sécurité Siemens S7-1500F, est équipé de modules de positionnement TM PosInput 2 et de modules technologiques ; il assure le calcul et l'exécution de l'asservissement de positionnement du pont, de la commande de vitesse de levage, de la logique de préhension/dépose automatique et du diagnostic de panne. Le niveau gestion connecte l'API au système MES de l'atelier et au système de supervision (WinCC/SCADA) via l'Ethernet industriel, permettant la surveillance à distance de l'état de fonctionnement du pont, la transmission des tâches de production, l'archivage des données d'exploitation et la gestion des historiques d'alarmes.

L'avantage clé de cette architecture à trois niveaux réside dans la clarté hiérarchique, l'isolation des pannes et la facilité de maintenance : une défaillance au niveau terrain n'affecte pas les communications du niveau gestion ; une panne de l'API au niveau commande maintient les équipements terrain dans un état sûr ; un problème réseau au niveau gestion n'interrompt pas le fonctionnement automatique du pont. La conception doit prévoir une isolation réseau entre les trois niveaux : réseau temps réel PROFINET IRT au niveau terrain (cycle de 1 à 4 ms), Ethernet d'usine au niveau commande (non temps réel, dédié aux communications IHM et supervision), et réseau bureautique au niveau gestion (isolé par pare-feu). L'expérience terrain montre que lorsque le réseau PROFINET IRT partage un commutateur réseau avec le réseau bureautique, il est impératif d'activer le VLAN et les priorités QoS (priorité maximale pour les trames IRT, VLAN Tag 4), faute de quoi la gigue de communication IRT peut augmenter de 50 à 200 μs.

Choix de l'API et table des entrées/sorties

L'API de sécurité S7-1500F est le contrôleur privilégié pour le système de commande du pont roulant. Le choix doit tenir compte du niveau de performance du CPU et du niveau de sécurité F. Pour un pont roulant de coulée de 50 t (un entraînement pour l'axe X du pont, l'axe Y du chariot et l'axe Z de levage), la configuration recommandée est : CPU 1515F-2 PN (6ES7 515-2FM01-0AB0) ou CPU 1517F-3 PN (6ES7 517-3FP00-0AB0, pour les ponts complexes dépassant 256 points d'E/S). Le 1515F prend en charge le commutateur réseau PROFINET IRT à 4 ports, un temps de traitement de 65 ns par opération binaire et un niveau de sécurité F SIL3, couvrant l'ensemble des besoins de commande d'un pont roulant sans opérateur.

Estimation de la table d'E/S (par pont) : environ 48 entrées numériques — fins de course haut/bas de levage (4 points), fins de course gauche/droite du pont (4 points), fins de course gauche/droite du chariot (4 points), états de la pince de rail (3 points), états d'ouverture/fermeture des freins (6 points), boutons du pupitre (12 points), verrous de sécurité de porte / barrières optiques (4 points), interface SSI des codeurs (3 voies × 4 = 12 lignes, via modules TM PosInput), réserve de 12 points (marge de 20 %). Environ 24 sorties numériques — validation des variateurs de levage/pont/chariot (3 points), commande des freins (3 points), voyants d'alarme (4 points), ventilateurs / pompe à huile de lubrification (4 points), réserve de 10 points. Environ 8 entrées analogiques — télémètres laser 4~20 mA en réserve (3 voies), capteurs de température (2 voies), réserve pour retours courant/tension (3 points). Recommandation : 2 modules DI 32×24V (6ES7 521-1BL00-0AB0), 2 modules DQ 16×24V/0,5A (6ES7 522-1BH01-0AB0), 1 module AI 8×U/I (6ES7 534-1HE01-0AB0), 3 modules TM PosInput 2 (6ES7 551-1AB00-0AB0, un par axe).

Configuration du réseau PROFINET IRT en anneau

Le système de commande du pont roulant utilise une topologie réseau en anneau PROFINET IRT (temps réel isochrone) pour garantir une communication déterministe entre les équipements terrain et l'API. La topologie forme une boucle fermée : API → variateur de levage → variateur de fréquence de translation du pont → variateur de fréquence du chariot → IHM → API. Le cycle de communication IRT est réglé à 2 ms (satisfaisant l'exigence de 5 fois la période d'échantillonnage pour la boucle fermée de vitesse : échantillonnage de position du codeur à 400 μs, boucle de vitesse à 2 ms, boucle de courant à 125 μs gérée en interne par le G120). Le protocole de redondance MRP (norme IEC 62439-2) est activé sur l'anneau : en cas de rupture d'un segment, le temps de basculement est ≤ 200 ms, sans perte de trame IRT.

Procédure de configuration (TIA Portal V18+) : Premièrement, dans la vue des appareils, ajouter l'API et tous les équipements IO au même domaine IRT, définir le rôle de synchronisation de tous les équipements sur « Sync Slave » et l'API sur « Sync Master ». Deuxièmement, dans les propriétés de l'interface PROFINET (Options avancées → Paramètres temps réel), régler le cycle de communication sur 2 ms et l'horloge d'envoi IRT sur un multiple entier de 1 ms (2 ms recommandé, égal à l'horloge d'envoi). Troisièmement, créer un domaine MRP dans « Domaine MRP », ajouter les deux ports de l'API (Port 1 et Port 2) ainsi que tous les équipements IO au domaine en anneau, définir le rôle de l'anneau sur « Client » pour les équipements IO, l'API jouant le rôle de « MRM (Ring Manager) » pour la surveillance et le basculement. Quatrièmement, attribuer une adresse IP fixe à chaque équipement IO (par exemple : variateur de levage 192.168.1.11, variateur de fréquence de translation du pont 192.168.1.12, variateur de fréquence du chariot 192.168.1.13, IHM 192.168.1.20) et définir le DeviceName selon l'abréviation correspondante. Une fois l'anneau configuré, vérifier l'état du réseau dans « Topologie PROFINET en ligne » de TIA Portal pour confirmer que tous les équipements sont en ligne et que la communication IRT fonctionne correctement.

Réglage des paramètres des variateurs G120

Le réglage des paramètres des variateurs SINAMICS G120 diffère sensiblement entre les trois mécanismes du pont ; un jeu de paramètres unique est exclu. Le mécanisme de levage (axe Z) présente une charge de type couple constant avec potentiel de charge. Le variateur doit être dimensionné à 120 % du courant nominal du moteur (module de puissance G120 PM240-2, surcharge lourde 125 % pendant 60 s). Paramètres clés : P1300=22 (commande de couple avec régulateur de vitesse, obligatoire en boucle fermée pour le levage afin d'éviter le glissement de charge), P1082=50 Hz / vitesse max = 3 000 tr/min, P1240=1 (activation du contrôle Vdc, évite les déclenchements par surtension lors de la descente de charges lourdes), commande du frein P1215=3 (frein standard / validation du frein moteur ; le frein se ferme automatiquement lorsque la fréquence de sortie du variateur de levage descend sous P2162=1,5 Hz, empêchant ainsi le glissement de charge).

Les mécanismes de translation du pont (axe X) et du chariot (axe Y) sont des mécanismes de translation : l'inertie de la charge est importante mais sans potentiel de charge. Paramètres du variateur de fréquence de translation du pont : P1300=22 (commande vectorielle en boucle fermée, indispensable pour un positionnement précis du pont), P1082=40 Hz / vitesse max = 2 400 tr/min, temps d'accélération P1120=8 s (forte inertie du pont, nécessite des démarrages et arrêts progressifs pour l'anti-balancement), temps de décélération P1121=8 s. Le variateur de fréquence du chariot, caractérisé par des courses courtes et des cycles d'accélération/décélération fréquents : temps d'accélération P1120=4 s, temps de décélération P1121=4 s (faible inertie du chariot, cycles courts pour améliorer la productivité), P1496=5 (coefficient d'anticipation de l'accélération, réduit l'erreur de suivi de vitesse pour un positionnement plus précis). Logique de commande du frein commune aux trois mécanismes : P1215=3 (frein standard / validation du frein moteur), condition d'ouverture du frein : fréquence de sortie du variateur ≥ 3 Hz et flux magnétique établi (P1216 délai d'ouverture du frein = 0,1 s), condition de fermeture du frein : fréquence de sortie ≤ 1 Hz (P1217 délai de fermeture du frein = 0,3 s, évite une fermeture prématurée du frein avant l'arrêt complet du variateur, ce qui provoquerait des vibrations brutales). Attention : pour le mécanisme de levage, le délai de fermeture du frein P1217 doit être réglé à 0,5 s (0,2 s de plus que pour les mécanismes de translation), afin de garantir l'arrêt complet de la charge avant le serrage du frein et de prévenir tout glissement de charge. Après la mise en service des variateurs, il est recommandé d'effectuer un test de glissement de charge en conditions nominales : le déplacement vertical de la charge après l'arrêt du variateur doit être ≤ 20 mm.

Fonctions de sécurité et conception SIL3

L'API de sécurité S7-1500F, associé aux fonctions de sécurité intégrées des variateurs G120, permet de construire un système de commande de sécurité du pont roulant de niveau SIL3. Les fonctions de sécurité sont implémentées via le protocole de communication PROFIsafe (profil de sécurité sur PROFINET) ; les télégrammes de sécurité sont transmis en parallèle des données de processus standard sur IRT, sans nécessiter de bus de sécurité dédié. Les fonctions de sécurité principales comprennent STO (coupure sûre du couple) et SS1 (arrêt sûr 1).

STO (coupure sûre du couple) est une fonction de sécurité côté variateur : le signal F-DI (entrée numérique de sécurité) coupe les impulsions de commande des transistors de puissance, entraînant l'arrêt libre du moteur sans couple. Le module F-DQ du S7-1500F envoie la commande STO au G120 via PROFIsafe (activer P9601=C01800 dans les paramètres du variateur pour valider STO via PROFIsafe ; non activé par défaut, doit être activé manuellement). Dans la logique de sécurité du pont, les conditions de déclenchement STO incluent : ouverture de la porte de sécurité, obstruction de la barrière optique, actionnement du bouton d'arrêt d'urgence, déclenchement de la détection de survitesse (déclenchement immédiat de STO en cas de survitesse de levage de 110 % de la vitesse nominale ; la détection de survitesse peut être réalisée par calcul de la vitesse du codeur dans l'API ou par la surveillance de vitesse intégrée du G120 via P2159).

SS1 (Arrêt de sécurité 1) est réalisé via la commande par PLC de sécurité qui pilote le variateur de fréquence pour une décélération selon une rampe définie par la sécurité. Une fois la vitesse descendue sous le seuil de sécurité, le STO est déclenché pour couper le couple. Dans le S7-1500F, le SS1 est implémenté via le bloc F-FB « DRV_SS1 » (intégré dans la bibliothèque de sécurité Drive-Lib de TIA Portal). Les paramètres à configurer comprennent : la décélération maximale (2,5 m/s² recommandés pour le mécanisme de translation du pont roulant afin d'éviter le balancement, 1,5 m/s² recommandés pour le mécanisme de levage afin d'éviter les chocs sur le câble métallique lors d'un arrêt d'urgence), le seuil de surveillance de la vitesse de sécurité (≤ 50 tr/min pour le levage, soit environ 1 % de la vitesse nominale, ≤ 100 tr/min pour la translation). L'avantage du SS1 par rapport à un arrêt STO direct est sa progressivité : lorsque la barrière immatérielle est occultée, le pont roulant décélère d'abord selon la rampe de sécurité avant l'arrêt complet, puis le couple est coupé. Cela évite le balancement de la charge ou les chocs sur le câble métallique. Après un déclenchement SS1, l'opérateur doit effectuer une réinitialisation manuelle pour réactiver le variateur, garantissant qu'aucun événement de sécurité non confirmé ne permette une reprise du fonctionnement.

Déploiement du réseau et liste de contrôle de mise en service

La phase de déploiement du réseau s'effectue dans l'ordre suivant : assemblage et câblage de l'armoire électrique (connexion entre le rail collecteur GND du PLC et le rail PE à l'aide d'une tresse en cuivre de 10 mm², résistance ≤ 0,1 Ω, câbles SSI du codeur et câbles PROFINET acheminés séparément avec un espacement ≥ 200 mm pour éviter les interférences électromagnétiques), câblage du réseau en anneau PROFINET et test de continuité (utilisation du Fluke Networks MicroScanner pour vérifier le schéma de câblage, la longueur et l'affaiblissement de chaque segment, tous les raccords RJ45 utilisant des connecteurs métalliques blindés spéciaux PROFINET FIT 180°), configuration matérielle TIA Portal et attribution du réseau (importation des fichiers GSDML de tous les périphériques IO et variateurs, vérification de la topologie de connexion et attribution des adresses IP), programmation de la sécurité et compilation/téléchargement du F-CPU (le premier téléchargement du programme de sécurité nécessite la saisie du mot de passe F-target pour confirmer la validation CRC de la trame F avant le téléchargement).

Liste de contrôle de mise en service sur site : Vérification de l'alimentation électrique : alimentation 24 V du PLC à ±5 %, tension du bus continu G120 stable (tension nominale DC 540 V pour le module PM240), voyants Link des commutateurs réseau PROFINET normaux (vert fixe : connexion établie, jaune clignotant : communication de données active). Test des signaux IO : test individuel des 48 entrées DI (court-circuit des entrées et vérification de la mise à jour correcte des variables en ligne du PLC), des 24 sorties DQ (forçage des sorties pour vérifier l'actionnement correct des relais correspondants), et des 8 entrées analogiques AI (étalonnage en trois points : 4 mA / 12 mA / 20 mA). Réglage des variateurs : identification statique et dynamique des trois variateurs à l'aide du logiciel STARTER ou du panneau de commande BOP-2 du G120 (identification statique P1910 pour la mesure de la résistance des enroulements du moteur, identification dynamique P1960 pour la détection du flux et des paramètres PI de la boucle de vitesse). Réglage du système de positionnement : vérification de la continuité des valeurs de position du codeur sans saut (rotation de l'axe du codeur rotatif sur 360° et contrôle de la progression fluide de la valeur lue par le PLC en correspondance avec le nombre d'impulsions), concordance des lectures du télémètre laser avec les distances réelles (comparaison sur trois points à 10 m / 20 m / 50 m à l'aide d'un mètre ruban, écart ≤ 5 mm). Réception des fonctions de sécurité : déclenchement individuel des conditions STO et SS1 (arrêt d'urgence, porte de sécurité, barrière immatérielle, simulation de survitesse), vérification de la réponse correcte des fonctions de sécurité et de la conformité des temps d'arrêt et des décélérations avec les exigences de conception. Il est recommandé de faire signer chaque élément de cette liste après vérification et de l'archiver comme référence pour la réception du système de commande du pont roulant.

Questions fréquentes sur le pont roulant