Système de commande PLC pour pont roulant : S7-1500 et sécurité

Le système de commande PLC d'un pont roulant est le « système nerveux central » de son fonctionnement automatisé : vers le bas, il pilote les variateurs de fréquence et les capteurs via PROFINET IO ; vers le haut, il communique avec le système de dispatching et la plateforme MES via OPC UA, tout en exécutant indépendamment une logique de sécurité SIL3 pour garantir la protection des équipements et du personnel. Un système de commande PLC bien conçu doit trouver un équilibre entre réactivité, fiabilité, sécurité et maintenabilité. Forte de plusieurs années d'expérience dans l'intégration de systèmes basés sur la gamme Siemens S7-1500, Kelude Industries Lourdes a développé une architecture de commande standardisée pour ponts roulants, couvrant la sélection du matériel, les blocs fonctionnels de contrôle de mouvement, la séquence de serrage du frein, la logique de sécurité et les procédures de mise en service. Cet article détaille cette pratique d'ingénierie au niveau de l'architecture système.

Sélection du matériel et configuration système pour commande PLC

Le système de commande PLC d'un pont roulant s'articule autour de la gamme Siemens S7-1500, le choix du modèle de CPU étant déterminé par la capacité de levage et la complexité de la commande. Pour les ponts roulants légers de moins de 20 tonnes, la CPU 1511-1 PN est retenue : elle intègre 48 Ko de mémoire programme et 32 Ko de mémoire données, et convient aux applications avec un seul variateur de fréquence et une gestion d'E/S de base. Pour les ponts roulants de moyenne capacité (20 à 50 tonnes), la CPU 1513-1 PN est privilégiée : sa mémoire programme est portée à 128 Ko, elle prend en charge le contrôle de mouvement multi-axes et la fonction serveur OPC UA, et constitue le modèle le plus utilisé par Kelude Industries Lourdes dans ses projets standardisés. Au-delà de 50 tonnes, la CPU 1516-3 PN/DP est recommandée pour les ponts roulants lourds : elle assure le contrôle de mouvement sur trois axes ou plus, la communication multiprotocole et une logique de sécurité plus élaborée.

Côté modules d'extension, chaque pont roulant est équipé en standard d'un module d'entrée numérique DI 32×24V DC (acquisition des signaux des fins de course, des boutons-poussoirs et de la télécommande), d'un module de sortie numérique DO 32×24V DC/0,5A (commande des contacteurs, voyants et avertisseur sonore) et de deux modules d'entrée analogique AI 8×U/I (acquisition des signaux des capteurs de charge, de mesure de distance laser et de température). Pour les E/S liées à la sécurité, des modules fail-safe F-DI 16×24V DC et F-DQ 8×24V DC/2A sont utilisés. Côté variateurs, deux unités de commande G120 CU250S-2 DP avec interface PROFINET sont fournies en standard, pilotant respectivement le moteur de levage et les moteurs du chariot et du pont.

La topologie réseau repose sur l'Ethernet industriel PROFINET RT, répondant à l'exigence de temps réel strict d'un cycle de communication inférieur à 10 ms au niveau de la couche commande. L'API agit en tant que contrôleur PROFINET IO ; les variateurs G120, les stations d'E/S distantes ET200SP et les modules d'interface codeur sont configurés en tant que périphériques IO. Tous les équipements sont interconnectés via un commutateur réseau industriel (Siemens SCALANCE XC216 ou modèle équivalent) formant un anneau MRP, avec un temps de rétablissement inférieur à 200 ms.

Structure du projet TIA Portal et répartition des OB

Kelude Industries Lourdes adopte une structure de programme standardisée dans le projet TIA Portal de l'API du pont roulant. L'OB1 (cycle principal) exécute le contrôle de mouvement, la logique et l'échange de données de communication, avec un cycle de 10 ms pour correspondre à la fréquence de rafraîchissement de la boucle de vitesse des variateurs. L'OB30 (interruption cyclique, intervalle de 50 ms) exécute la boucle fermée de position et la mise à jour de l'algorithme anti-balancement. L'OB32 (interruption cyclique, 200 ms) gère l'acquisition d'état et le diagnostic de panne.

L'OB100 (démarrage) exécute l'initialisation du système : effacement du cache de défauts, vérification du point zéro des codeurs et réinitialisation de l'état d'arrêt d'urgence. L'OB10 (interruption horaire) exécute toutes les 24 heures le cumul des heures de fonctionnement et l'évaluation des cycles d'entretien. L'OB40 (interruption matérielle) répond au signal de calibrage du point zéro émis par l'impulsion Z du codeur haute vitesse.

Conception des blocs de commande de mouvement

La logique de commande de mouvement du pont roulant est encapsulée dans deux blocs fonctionnels : FB_Control et FB_Position. FB_Control repose sur une machine à états finis comprenant six états : IDLE (en attente de tâche), ACCEL (accélération en S jusqu'à la vitesse cible), CRUISE (maintien de la vitesse de consigne), DECEL (décélération en S à l'approche de la position cible), POSITION (positionnement précis à basse vitesse, tolérance de ±3 mm) et STOP (exécution du serrage du frein et coupure de l'activation du variateur).

La commande d'accélération en S est implémentée via une planification de vitesse en cinq segments dans FB_Control : le segment initial OA augmente linéairement la jerk de zéro à sa valeur maximale, le segment AB maintient une accélération constante, et le segment de transition BC réduit linéairement la jerk à zéro pour atteindre la vitesse constante. La phase de décélération est symétrique et inverse. La jerk par défaut est de 0,5 m/s³ et l'accélération maximale de 0,3 m/s², ce qui permet de réduire le coefficient de choc du pont du pont roulant au démarrage à moins de 1,1 (contre environ 1,5 à 1,8 pour un démarrage en deux phases conventionnel).

Pour l'asservissement de position, FB_Position fusionne les signaux de trois sources : la position incrémentale du codeur (mise à jour à 100 Hz, résolution de 0,1 mm), la position absolue par mesure de distance laser (mise à jour à 50 Hz, précision de ±1 mm) et les points de référence du code Gray. Un filtre complémentaire (fréquence de coupure de 0,5 Hz) combine le positionnement absolu laser à basse vitesse avec le positionnement incrémental du codeur à haute vitesse, produisant une estimation de position optimale. Les paramètres de la boucle de position (Kp = 8,0, Ti = 200 ms) sont étalonnés lors de la mise en service à l'aide de la fonction Trace de TIA Portal.

Séquence de commande du frein et protection contre le glissement de charge

La commande du frein du mécanisme de levage est un facteur critique pour la sécurité et la durée de vie de l'équipement. La séquence d'ouverture et de fermeture du frein détermine le risque de glissement de charge. Kelude a conçu une séquence de commande de frein en cinq phases, implémentée via la communication PROFIsafe entre le variateur G120 et l'automate S7-1500.

La séquence d'ouverture comprend trois phases. Phase 1 : l'automate envoie la commande de « pré-excitation » au G120 via PROFIsafe, le variateur établit le courant d'excitation du moteur (durée : 300 ms). Phase 2 : le variateur génère le couple de levage (110 % du couple cible), le signal de confirmation de couple est renvoyé à l'automate via PROFIsafe (durée : 200 ms). Phase 3 : après confirmation de l'établissement du couple, l'automate émet la commande d'ouverture du frein ; l'électroaimant du frein est alimenté (temps de réponse : 150 ms), puis l'automate envoie la commande « activation » une fois le frein complètement ouvert.

La séquence de fermeture comprend deux phases. Phase 1 : l'automate envoie la commande « stop », le variateur décélère jusqu'à vitesse nulle (maintien à vitesse nulle : 200 ms). Phase 2 : l'automate envoie la commande de fermeture du frein, la fermeture mécanique s'effectue (temps de réponse : 100 ms), puis le variateur est mis hors tension après confirmation de la vitesse nulle. Le cycle total de commande du frein (de l'ordre d'arrêt à la fermeture complète) ne dépasse pas 850 ms.

En ce qui concerne la compensation de l'usure des garnitures de friction, le système enregistre à chaque cycle de serrage le temps d'ouverture réel, entre la « commande d'ouverture du frein » et le « retour de confirmation de l'électroaimant du frein ». Comparé à la valeur nominale initiale (150 ms), la commande d'ouverture est progressivement avancée en fonction de l'usure de la garniture, garantissant ainsi que le moment d'ouverture effectif reste stable dans la plage cible.

Logique de sécurité et niveau SIL3 pour pont roulant

Les fonctions de sécurité du système de commande du pont roulant sont conformes aux normes IEC 61508 et ISO 13849-1, visant un niveau d'intégrité de sécurité SIL3. Elles sont implémentées via le CPU de sécurité S7-1500F et le protocole de communication sécurisé PROFIsafe. Les E/S liées à la sécurité sont raccordées via des modules F-DI et F-DQ.

Les principales fonctions de sécurité comprennent : la fonction de coupure de couple sécurisée (STO), qui, en cas d'actionnement du bouton d'arrêt d'urgence ou d'une fin de course, coupe directement la validation d'impulsions du variateur via PROFIsafe, avec un temps de réponse inférieur à 20 ms ; la limitation de vitesse sécurisée (SLS), qui réduit la vitesse à 10 % de la vitesse nominale à 200 mm avant la fin de course, avec un temps de réponse inférieur à 50 ms ; la commande de frein de sécurité (SBC), qui ferme automatiquement le frein lors du déclenchement de la STO pour empêcher tout glissement de charge ; et la surveillance de direction sécurisée (SDI), qui empêche tout mouvement intempestif des mécanismes de translation du pont et du chariot avant réception d'une commande inverse.

Le circuit d'arrêt d'urgence est conçu en double canal redondant : le canal A acquiert le contact à ouverture du bouton d'arrêt d'urgence via le module F-DI, tandis que le canal B connecte le contact auxiliaire du bouton d'arrêt d'urgence directement au circuit de commande de la bobine du contacteur principal via un câblage filaire. L'activation de l'arrêt d'urgence sur l'un ou l'autre canal coupe indépendamment l'alimentation électrique. La fréquence des impulsions de test des E/S de sécurité est de 1 Hz. Le PLC exécute la logique de sécurité programmée en F-LAD et actualise les sorties de sécurité à chaque cycle de sécurité (20 ms).

Procédure de mise en service et réglage des paramètres

La mise en service du système de commande PLC du pont roulant s'effectue en six étapes standard. La première étape consiste en la configuration et le diagnostic du réseau : le logiciel PRONETA est utilisé pour scanner tous les appareils du réseau PROFINET, vérifier la cohérence des noms d'appareils et des adresses IP avec la configuration du projet TIA Portal, et confirmer que tous les appareils d'E/S sont en ligne.

La deuxième étape est la configuration des paramètres du variateur : le jeu de paramètres G120 est téléchargé via STARTER ou Startdrive. Pour le mécanisme de levage, les paramètres sont P1300=20 (commande vectorielle sans capteur de vitesse), P1120=2,0 s (temps d'accélération), P1121=2,0 s (temps de décélération), P1240=3 (contrôleur Vdc_max activé). Pour le mécanisme de translation du pont, P1120=4,0 s et P1121=4,0 s.

La troisième étape est l'identification statique des données moteur : P1910=1 est exécuté (identification statique) et réglé sur 1 (identification complète). Le processus mesure automatiquement la résistance statorique, la résistance rotorique, l'inductance de fuite et l'inductance mutuelle du moteur. Aucune charge mécanique ne doit être connectée au moteur pendant cette procédure.

La quatrième étape est l'étalonnage des positions : via le panneau de commande de TIA Portal, le pont roulant est déplacé manuellement vers les positions limites extrêmes. L'écart des valeurs de comptage entre le codeur et la mesure de distance laser est enregistré, puis le décalage du point zéro du codeur et les valeurs limites positive et négative sont définis.

La cinquième étape est la confirmation de la séquence de freinage : la séquence d'établissement du couple à l'ouverture du frein et la séquence de maintien à vitesse nulle à la fermeture sont vérifiées à vide et en charge nominale. Les courbes de couple et de vitesse sont capturées via la fonction Trace pour confirmer que les paramètres de séquence du frein sont conformes aux exigences de commande en cinq phases.

La sixième étape est la vérification de la communication OPC UA : le serveur OPC UA du PLC du pont roulant est connecté via UA Expert. Les types de données et les plages de valeurs de chaque nœud sont lus, et les adresses et droits d'accès des 26 nœuds de données publiés sont vérifiés pour confirmer que le système de dispatching et la plateforme MES peuvent lire et écrire correctement.

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