Pneumatica leert denken
ventielen bevatten diagnosefuncties

Computers zetten boodschappen op het scherm om ons te vertellen dat er geen papier meer in de printer is. Kopieermachines vertellen ons waar te kijken wanneer het papier geblokkeerd is. En zelfs wasmachines weten wanneer de watertoevoer defect is. De nodige technologie voor diagnose vinden we overal rondom ons, dus waarom ook niet in de pneumatica? Waarschijnlijk omdat, tot voor kort, iedereen pneumatische producten beschouwde als domme componenten om in te bouwen in systemen door iemand anders ontwikkeld. Maar de integratie van de elektronica in pneumatische apparaten verandert alle regels.

Version française

Oorspronkelijk was pneumatica enkel pneumatisch. Er waren geen elektrische interfaces, en bedieningsventielen werden rechtstreeks met de hand bediend, door een mechanisme of door een vorm van eenvoudige pneumatische sturing. Om het systeem van leidingen zo eenvoudig mogelijk te houden, werden ventielen dicht bij de cilinder of het apparaat dat ze moesten bedienen geplaatst en de eindeloopschakelaars, die hen het signaal gaven, werden meestal geassocieerd met een actie uit een voorgaande stap uit de sequentie. Wanneer er iets stopte, dan kon een opgeleide monteur snel het probleem vinden en het defecte component vervangen. Toen de behoeften voor controle gesofisticeerder werden, ontwierpen leveranciers van pneumatische systemen ingenieuze logische circuits samengesteld uit ventielen, pneumatische detectoren en tijdsinstellingen (timers). Pneumatische stappenschakelaars zoals de ‘Bi-selector’ van Martonair werden eveneens geïntroduceerd. De besturing en het begrijpen van de pneumatica op een machine kwam verder van de operator te staan.

Ladder logica
Het algemene gebruik van de relaiscontrole voor industriële processen in de naoorlogse opmars leidde tot het gebruik van de ventielen met spoel als interface tussen de logica en het pneumatisch bediend ventiel en tot het progressief gebruik van elektrische componenten als feedback van de bediening. Diagnose en foutcorrectie was beperkt tot een exclusieve groep die getraind was in de mystieke kunst van de "ladder logica diagrammen". Relais werden uiteindelijk vervangen door elektronische componenten, eerst door sequencers en later door de programmeerbare logische controllers (PLC). Niettegenstaande deze toestellen eigenlijk kleine computers waren, werden ze ontwikkeld om geprogrammeerd te worden in ‘ladder logica’ zodat ze zouden gelijken op de bestaande controle filosofie. Dit bracht twee problemen met zich mee : het beperkte de eigen flexibiliteit van de besturing door de opgelegde beperking van de ladder logica, en het behield de macht van de ‘groep’ die gekant was tegen alles wat hun positie zou kunnen ondermijnen. Dit ondersteunde op zijn beurt het idee dat de wereld verdeeld was in ingangen en uitgangen welke los van elkaar staan en afzonderlijk bediend worden.

Ventieleilanden
De ontwikkeling in de pneumatica concentreerde zich op het opbouwen van magneetschakelaars op cilinders en op het samenvoegen van ventielen in een ‘manifold’ zodat ze eenvoudiger in groep in een schakelkast kunnen ingebouwd worden als een typisch elektrisch geheel waardoor bespaard wordt op bekabeling en installatie.
Het samenvoegen van ventielen heeft nu geleid tot de ‘Ventieleilanden’, die met een vorm van interne bekabeling meestal tegemoetkomen aan de eisen van IP65 of IP67. Hierdoor kunnen ze rechtstreeks in een installatie gebouwd worden in plaats van in een aparte schakelkast. Dit laat de machineontwerpers toe de ventielen dicht bij de cilinders te plaatsen om een snelle reactietijd te bekomen. Het heeft weinig zin om elektropneumatische ventielen te plaatsen met een reactietijd van 10 milliseconden voor een cilinder met 20 meter leiding die een reactietijd van één of twee seconden heeft. Niettegenstaande het ventieleiland installatietijd bespaart, toch moet elk signaal hardwarematig worden aangesloten op de juiste uitgang van de besturing en het blijft een passief component dat geen informatie kan terugsturen. Zelfs Norgren’s eerste generatie ‘multipole’ producten hadden een ingebouwde intelligentie om te detecteren wanneer de spoel geschakeld was (en het vermogen te verminderen als dat zo was). Door de afwezigheid van een communicatie in de twee richtingen, leverden zij een lokale diagnose door middel van LED’s op het toestel.

Veldbus vermindert de installatietijd en –kosten
Het toenemende gebruik van Veldbus in industriële toepassingen heeft de constructeurs van pneumatische ventielen aangemoedigd om deze systemen aan te bieden als een ‘add-on’ module voor de ventieleilanden. Algemeen is de grondreden voor het gebruik van Veldbus voor de controle van pneumatica, het vereenvoudigen van het bekabelingsontwerp, en dus het besparen op installatiekosten en verminderen van opstarttijden. De keuze voor Veldbus en de hiermee bereikte voordelen vallen onder de bevoegdheid van de OEM of van de eindgebruikers en niet van de pneumatica producenten. Alle diagnosefuncties moeten daarom geïmplementeerd worden in de hoofdcontroller voor de informatie die over de bus wordt verstuurd. Aangezien het pneumatisch ventiel nog steeds wordt beschouwd als een simpele uitgangsmodule, kan het spijtig genoeg niet genoeg data verschaffen nodig voor de diagnosefunctie. Zelfs moest het dat kunnen, dan nog zou de resulterende communicatiebelasting op de bus en het verwerken in de hoofdcontroller, het gebruik ervan in hoge snelheidstoepassingen verhinderen. De verschuiving naar Fieldbus heeft ook geresulteerd in het verschuiven van de verantwoordelijkheid voor specifiëring naar de systeemontwerp ingenieurs, weg van de traditionele mechanische ingenieurs met kennis van pneumatica. De pneumatische controle zal in de toekomst meer bekeken worden als een uitgangsblok, terwijl de inwendige werking niet zal gekend zijn. De nood aan een zekere vorm van ingebouwde foutdiagnose is nooit hoger geweest.

Ingebouwde intelligentie
De sleutel naar effectieve diagnose is een zekere ingebouwde "intelligentie" in het product. De printer, de kopieermachine en de wasmachine geciteerd aan het begin van het artikel hebben allen nood aan een controller om te functioneren, en deze controller slaat gegevens op en voert de analyses uit nodig voor de diagnose van problemen. De laatste ventieleilanden van Norgren en andere belangrijke pneumatische bedrijven hebben nu ingebouwde elektronica in het ventiel. Dit is ofwel een printplaat (PCB: printed circuit board) uit één stuk om alle ventielen te verbinden, of een ‘chip’ op elke ventielpositie om een flexibele verbinding van ventielen, in- en uitgangsmodules mogelijk te maken. Het gebruik van een interne ‘bus’ vermindert de hoeveelheid draden in het eiland en laat zo toe om meer eenheden samen te bouwen. In het geval van de nieuwste generatie V20/V22 modulaire systemen van ventielen met de Veldbus technologie van Norgren, is deze benadering uitgebreid om ventielen of groepen van ventielen of in- en uitgangsmodules tot een aantal van 128 verspreid in de installatie, te sturen vanuit één veldbusknooppunt. Eén enkele negenaderige verbindingskabel voorziet de spanning, controlesignalen en onafhankelijke isolering voor een eventuele noodstop. Deze benadering laat toe de ventielen dicht bij de elementen te plaatsen die ze controleren (goede respons en eenvoudige leidingen), terwijl de kosten voor meervoudige bus interfaces vermeden worden.

De nieuwe ventielen bevatten diagnosefuncties
Als producten worden geïntroduceerd met ingebouwde elektronica, dan kunnen eenvoudige diagnosefuncties bekomen worden voor een lage bijkomende kost. Aangezien de basisfunctie van het toestel het in- en uitschakelen van ventielen is, is het eenvoudig om het aantal cycli van het ventiel op te slaan. Dit kan bijgehouden worden in een geheugen, en vergeleken worden met een maximum waarde om te weten wanneer een ventiel dient vervangen te worden. Als toevoeging op deze eenvoudige routine, meten de V20/V22 systemen van Norgren de stroom op in- en uitgangsmodules als controle op open verbindingen en kortsluitingen, controleren ze de spanning van de voeding, geven ze de stroom en de reactie van de spoelen weer, en rapporteren ze elke verandering in deze parameters. Veranderingen van waarden buiten de geprogrammeerde limieten worden weergegeven door LED patronen op het toestel. Het terugmelden van waarschuwingen naar de Master controller is ook mogelijk, maar hangt in enige mate af van het gekozen Veldbus protocol.

Intelligente FRL
Een ander voorbeeld van het gebruik van een tweewegs-communicatie via een bus om de betrouwbaarheid en de machinebeschikbaarheid te verbeteren is Norgren’s recent ontwikkelde Intelligente FRL. Deze toegewijde module kan achteraf gemonteerd worden op elk FRL systeem en kan zowel een uitgang voorzien voor een opstart, als een toestand weergeven van een filter of olienevelaar. Een schema van het systeem kan samen met status- en waarschuwingsberichten getoond worden op een verder afgelegen scherm, waarschuwen voor een fout, de plaats ervan identificeren en zelf onderdeelnummers en stocklocaties van de te vervangen filter weergeven. Met dit systeem geïnstalleerd zullen fouten te wijten aan te lage drukken die de werking beïnvloeden of nevelaars die zonder olie komen te staan, tot het verleden behoren.

Afstandsbediend ondervragingstoestel
De invoering van veldbussystemen wekt zorgen bij de installateurs en gebruikers over hoe het systeem te testen. De eenvoudige testmeter zoals gebruikt voor bekabelde ventielen is niet meer aangewezen. Norgren heeft onlangs een afstandsbediend ondervragingstoestel ontwikkeld, gebruik makende van de technologie geleend bij de tv- en video-industrie. Een infrarood verbinding verschaft communicatie tussen een in de hand gehouden toestel en de gekozen Veldbusmodule. De status van elk Veldbuskanaal kan getoond worden zonder kabels los te maken. Het is ook mogelijk om de status van een kanaal te wijzigen om de werking te controleren en om nieuwe parameters in te geven. Het is maar een kleine technische stap om zo een systeem te verbinden met een modem om aldus controle uit te oefenen vanaf verder gelegen locaties, zoals uit de fabriek van de machineconstructeur.

Proactieve diagnose, enkel een kwestie van tijd
Tot zover wordt enkel gekeken naar de mogelijkheden om een status te controleren en om een waarschuwing te geven als een fout zich voordoet. Deze mogelijkheden zullen het opzoeken van problemen vergemakkelijken en het vervangen van defecte onderdelen versnellen. Maar wat als een probleem kan voorspeld worden voordat een fout zich voordoet. Als men toevallig een kraan openlaat met de stop in het bad dan zal het bad overlopen. Maar wanneer men toekijkt ziet men het waterniveau stijgen en zal men de kraan dichtdraaien voor het bad overloopt. Dit is proactieve diagnose. Door het waken over veranderingen in parameters zal het mogelijk worden een defect aan een ventiel of een cilinder te voorspellen voor het defect zich voordoet. Dan kan dit element vervangen worden tijdens een routine onderhoudsperiode, en zal geen ongeplande dure machinestop gebeuren. De intelligentie om dit te doen bestaat reeds. Alles wat nodig is, zijn en paar extra sensoren en enkele werkingshistorieken om mee te vergelijken. De nieuwe generatie geïntegreerde ventieleilanden is het ideale middel om deze vorm van diagnose toe te passen. Doordat één printplaat alle ventielen bedient, kunnen deze diagnosefuncties eenvoudig voorzien worden in één microprocessor en gebruikt worden voor alle ventielen. De nood aan hulp van een diagnose is steeds gegroeid en we zijn geëvolueerd van simpele pneumatische naar computergestuurde controlesystemen. Recente ontwikkelingen in Veldbus en productintegratie hebben de deur geopend. De ontwikkeling lijkt nu snel te gaan, en net zoals bij veldbus, eenmaal ingeburgerd, zal het de enige manier worden. Dit is enkel een kwestie van tijd.

www.norgren.com

La pneumatique apprend à penser
Les îlots incorporent le diagnostic

L’ordinateur nous affiche un message pour nous informer qu’il n’y a plus de papier dans l’imprimante. Le photocopieur nous indique où rechercher un bourrage de documents. Et même la lessiveuse sait que l’alimentation en eau est déficiente! La technologie nécessaire est présente tout autour de nous, alors pourquoi ne pas l’appliquer en pneumatique? Probablement parce que, jusque tout récemment, chacun considérait les éléments pneumatiques comme des composants muets à incorporer dans des systèmes développés par quelqu’un d’autre. Mais l’intégration de l’électronique dans la pneumatique change les règles.

A l’origine, la pneumatique n’était que pneumatique. Pas d’interface électrique et les distributeurs étaient actionnés manuellement, par un élément mécanique ou par une forme simple de logique pneumatique. Pour simplifier les tuyaux, on plaça les distributeurs de puissance près des actionneurs à commander et les signaux de pilotage étaient généralement produits par une action engendrée dans le pas de séquence précédent. Lorsque la machine s’arrêtait, un ajusteur habile pouvait rapidement trouver le défaut et remplacer le composant défectueux. Comme les exigences des commandes devinrent plus sophistiquées, des circuits logiques ingénieux composés de distributeurs, capteurs pneumatiques et circuits temporisés furent élaborés par les constructeurs pneumatiques. Des séquenceurs pneumatiques tels que le «Bi-Selector» de Martonair virent également le jour. Le contrôle et la compréhension de la pneumatique sur les machines n’étaient déjà plus accessibles à l’opérateur.

L’introduction du diagramme d’échelle
L’adoption généralisée de commandes à relais pour les processus industriels dans la période après guerre conduisit à l’utilisation de distributeurs à commande électropneumatique comme interface entre la logique et la pneumatique et à l’adoption progressive de capteurs électriques assurant le feed-back des signaux. Le fonctionnement correct du système fut ainsi partagé entre un coffret de commande rempli de relais et de distributeurs pneumatiques et les capteurs électriques montés sur l’installation. La recherche de défauts était exclusivement réservée à ceux qui connaissaient l’art mystérieux du diagramme d’échelle. Les relais furent ensuite remplacés par des commandes électroniques, au départ de simples séquenceurs et ensuite des automates programmables (API). Bien que ces équipements étaient essentiellement de petits ordinateurs, ils étaient conçus pour être programmés selon le diagramme d’échelle et le contrôle suivit donc la même philosophie. Ceci engendra deux problèmes : la flexibilité inhérente au contrôleur qui était limitée par la restriction due au diagramme d’échelle et la «fraternité» reliant les membres en ayant la «connaissance» qui s’opposaient à tout ce qui pourrait miner leur position de force. Ceci était également basé sur le principe que le monde est divisé en entrées et sorties discrètes et traitées séparément.

L’avènement des îlots de distributeurs
Les développements pneumatiques se concentrèrent sur l’incorporation de capteurs Reed sur les vérins pour assurer le feed-back et la combinaison de distributeurs sur embases communes de manière à pouvoir les grouper plus aisément dans les coffrets de commande respectant ainsi leur caractère électrique et économisant du câblage sur site. La batterie de distributeurs a maintenant évolué vers «l’îlot de distributeurs» qui comprend une forme de câblage interne et répond généralement à la norme de protection IP65 ou IP67 permettant à l’îlot d’être monté directement sur la machine sans coffret. Ceci permet aux constructeurs de machines de placer les distributeurs près des vérins de façon à réduire les temps de réponse. Choisir un distributeur avec un temps de réponse de 10 ms pour commander un vérin au travers de 20 mètres de tuyaux a peu de sens, le temps de réponse global dû à la tuyauterie sera quand même de une ou deux secondes ! Bien que l’îlot de distributeurs économise le temps d’installation, il exige toujours que chaque canal soit câblé individuellement à la sortie appropriée du contrôleur et il reste un composant passif qui ne peut pas rapporter d’information. Même la première génération de câblage multipôle Norgren possédait déjà l’»intelligence» intégrée qui détecte le bon fonctionnement du solénoïde et réduit ensuite la consommation d’énergie. Et, en l’absence de communication bidirectionnelle, un diagnostic local était possible au moyen de la diode luminescente sur le module.

Le bus de terrain réduit temps/coûts d’installation
L’adoption croissante du bus de terrain dans les applications industrielles a encouragé les constructeurs pneumaticiens a proposer cette option sur les îlots de distributeurs. La raison principale de l’utilisation du bus de terrain en pneumatique est la simplification du câblage et ainsi la réduction des coûts et du temps de mise en service. Le choix d’un bus de terrain et les bénéfices engendrés sont entre les mains du concepteur ou de l’utilisateur final et pas du constructeur de pneumatique. Toute fonction de diagnostic doit donc être implémentée dans le contrôleur principal à partir des informations circulant sur le bus. Malheureusement, étant donné que le distributeur pneumatique est toujours considéré comme un élément de sortie simple, il ne peut générer la plupart des données nécessaires à la création du diagnostic. Et même s’il le pouvait, la charge de communication sur le bus et le fonctionnement du contrôleur l’excluraient probablement, particulièrement dans des applications à grande vitesse. L’usage de bus de terrain a aussi justifié que la responsabilité des spécifications a «glissé» de l’ingénieur mécanicien avec connaissances de la pneumatique vers les designers de système. Le contrôle pneumatique sera considéré à l’avenir différemment et son fonctionnement interne ne sera plus compréhensible à tous. Le besoin d’une certaine forme de diagnostic n’a jamais été aussi grand.

Intelligence embarquée
La clé de l’efficacité d’un diagnostic se trouve dans une certaine «intelligence» incorporée dans le produit. L’imprimante, le photocopieur et la lessiveuse cités en début d’article nécessitent tous un contrôleur pour fonctionner et celui-ci mémorise les données et les analyses pour élaborer son diagnostic du problème. Les derniers îlots de distributeurs conçus par Norgren et les autres constructeurs de pneumatique incorporent maintenant l’électronique. Ceci sous la forme d’un circuit imprimé d’une pièce pour alimenter toutes les bobines ou encore en tant que «puce» à chaque position de distributeur. Cette forme de connectique permet de simplifier le raccordement des distributeurs ainsi que des modules d’entrées et sorties. L’utilisation d’un «bus» réduit considérablement le nombre de points de raccordement dans l’îlot et permet d’interconnecter un plus grand nombre d’unités entre elles. Dans le cas de la nouvelle génération modulaire V20/V22 avec technologie bus de terrain, cette approche est étendue pour permettre le controle de distributeurs individuels ou groupés ou/et de modules d’entrées et de sorties à partir d’un seul nœud de bus jusqu’à 128 points. Un simple câble à 9 conducteurs assure l’alimentation et la communication ainsi que la mise hors tension indépendante en cas d’arrêt d’urgence. Cette technique permet de rapprocher les distributeurs des actionneurs (simplification des tuyauteries et meilleure réponse) tout en évitant le coût de multiples interfaces de réseau.

Les îlots nouvelle génération incorporent le diagnostic
Une fois les produits équipés de processeurs embarqués, la fonction diagnostic peut être assurée moyennant un faible supplément de prix. Comme la fonction primaire est d’enclencher et déclencher des bobines, il est aisé de compter le nombre de commutations effectuées. Ce nombre peut être mémorisé et comparé à une valeur extrême indiquant à quel moment remplacer le distributeur. En plus de cette simple routine, le système Norgren V20/V22 mesure le courant des unités d’entrées et de sorties pour pister des circuits ouverts ou des courts-circuits, contrôle la tension de l’alimentation, surveille le courant des solénoïdes et leur temps de réponse et indique toute dérive de ces paramètres. Des variations dans ces valeurs au-delà des limites programmées sont affichées sous forme de messages d’alarme au moyen des diodes électroluminescentes sur l’unité. La transmission de ces alarmes vers le contrôleur est également possible mais dépend de l’étendue des capacités du protocole de bus choisi.

Groupe de conditionnement intelligent
Un autre exemple de l’utilisation de la communication à deux fils dans le but d’améliorer la fiabilité est le groupe FRL intelligent développé par Norgren. Ce module dédié peut s’ajouter à tout groupe de conditionnement existant et, en plus de la sortie donnant le signal de démarrage d’une fonction, il surveille le statut des filtres et lubrificateurs. Une schématique du système avec affichage d’états et messages d’alarme peut être rendue sur un écran à distance, prévenant du défaut, le localisant et même indiquant le numéro des pièces de remplacement et leurs localisations de stockage. Grâce à ce système, les problèmes dus à une réduction de pression ou à un fonctionnement non lubrifié font partie du passé.

Outil de scrutation du réseau de terrain
Depuis l’introduction des bus de terrain les installateurs se sont posé la question du test du système. Le simple testeur utilisé pour le câblage traditionnel n’est plus approprié. Norgren a développé récemment un outil de scrutation des bus de terrain faisant appel aux technologies utilisées dans l’industrie vidéo. Une liaison infrarouge permet la communication entre une console portable et le module de réseau à interroger. Le statut de chaque canal du bus peut être affiché sans déconnecter de fil. Il permet également de changer l’état de chaque canal pour en tester le fonctionnement ainsi que de charger de nouveaux paramètres. Un petit pas technique supplémentaire sera de connecter ce système à un modem permettant le contrôle à distance par le constructeur par exemple.

Le diagnostic pro-actif – une question de temps
A ce stade, nous avons examiné la possibilité de contrôler le statut et de signaliser les défauts éventuels. Cette option aidera à la recherche de défauts et permettra le remplacement du composant défectueux. Mais si nous pouvions prévoir le défaut avant son apparition ? Si vous laissez accidentellement le robinet ouvert et le bouchon placé dans le fond de la baignoire, celle-ci va déborder. Mais si vous surveillez le niveau de l’eau qui monte, vous fermerez le robinet avant le débordement. Ceci est un diagnostic préventif. En surveillant l’évolution de différents paramètres, il sera possible de prévoir un mauvais fonctionnement d’un distributeur ou d’un vérin. Un remplacement pourra alors être programmé pendant un entretien de routine et aucun arrêt coûteux n’affectera l’installation. L’intelligence pour le réaliser existe déjà. Qu’est-il nécessaire d’ajouter ? Quelques capteurs supplémentaires et quelques données archivées antérieurement qui permettront les comparaisons. Et la nouvelle lignée de distributeurs intégrés est le support idéal pour ce genre de diagnostic. Sur un circuit imprimé desservant tous les distributeurs, ce diagnostic peut aisément être fourni par un microprocesseur et partagé par toutes les électrovannes. Le besoin en fonction de diagnostic s’est accru considérablement et nous sommes passés de la pneumatique simple aux contrôles par ordinateur. La configuration des systèmes et la persévérance de l’optique traditionnelle de la pneumatique ont d’abord empêché l’évolution. Les récents développements en matière de bus de terrain et intégration des produits ont ouvert la voie. Le progrès avance maintenant à grands pas, et tout comme les réseaux, une fois établi, il deviendra la seule issue. Ce n’est qu’une question de temps!

www.norgren.com