Derrière le robot : détection, sécurité et contrôle dans l'Industrie 4.0

Les systèmes robotiques industriels modernes s'appuient sur une infrastructure de plus en plus sophistiquée pour prendre en charge l'évolution des capacités d'intelligence artificielle (IA) et d'apprentissage automatique (ML), une interconnectivité transparente et le déploiement évolutif dans les usines. Ces systèmes requièrent des capteurs, du matériel de sécurité, une protection des circuits et des composants de contrôle qui répondent aux exigences de bande passante élevée, de réactivité en temps réel et de normes de sécurité fonctionnelle strictes.

Cet article explore les technologies fondamentales de la robotique de l'Industrie 4.0, et s'intéresse à la manière dont les solutions de détection et de sécurité de SICK et les composants de contrôle industriel d'Eaton contribuent à un contrôle de mouvement sécurisé, à un comportement adaptatif des systèmes et à une prise de décision déterministe. Les sujets abordés incluent les éléments clés pour une automatisation résiliente et intelligente, tels que les architectures de détection, la conformité en matière de sécurité des machines, les stratégies de contrôle non sensibles aux défaillances et l'intégration de réseaux d'automatisation distribués en périphérie.

Systèmes de détection avancés pour environnements industriels dynamiques

Comme illustré à la Figure 1, les robots de l'Industrie 4.0 utilisent des capteurs avancés pour fonctionner de manière sûre et efficace dans les usines. Malgré des conditions difficiles, telles qu'un éclairage variable, des particules en suspension dans l'air et des vibrations mécaniques, ces capteurs doivent traiter rapidement les données en temps réel pour suivre avec précision le personnel humain, les robots mobiles et les chaînes de montage rapides.

Figure 1 : Les bras robotisés multi-axes de l'Industrie 4.0 utilisent des capteurs intégrés et un retour d'informations en temps réel pour fonctionner avec précision et rapidité. (Source de l'image : Igus)

Les plateformes robotiques intègrent plusieurs modes de capteurs pour prendre en charge la perception spatiale et la réactivité à la milliseconde près. Les algorithmes de fusion de capteurs combinent ces entrées pour générer un modèle cohérent en temps réel de l'environnement de fonctionnement du robot. Les systèmes de vision gèrent la détection et la localisation des objets, tandis que les scanners laser de sécurité surveillent les zones réglementées pour détecter les violations de proximité. Les capteurs ToF (temps de vol) à faible latence capturent des données spatiales en trois dimensions, permettant des ajustements de trajectoire réactifs et un comportement sensible au contexte.

Les robots s'appuient également sur des capteurs internes et basés sur le contact pour affiner le contrôle de mouvement et l'interaction. Les capteurs tactiles, notamment les capteurs de force/couple et les interrupteurs de fin de course, fournissent un retour d'informations pour les tâches de préhension, d'assemblage et de conformité. Les capteurs de proximité inductifs, capacitifs et à ultrasons détectent les objets à proximité sans contact, généralement à des distances plus courtes que les systèmes ToF. Les codeurs et les potentiomètres suivent la position et la vitesse des articulations pour une planification précise des mouvements, tandis que les unités de mesure inertielle (IMU) mesurent l'accélération et la vitesse angulaire pour maintenir l'orientation et l'équilibre. Enfin, des capteurs électriques surveillent le courant et la tension pour évaluer la charge moteur et détecter les défaillances.

Sécurité basée sur des normes pour la robotique industrielle

Les robots de l'Industrie 4.0 doivent répondre à des normes de sécurité internationales strictes pour protéger le personnel humain et les équipements. Trois normes clés — ISO 13849, CEI 62061 et ISO 10218 — définissent les exigences de sécurité fonctionnelle et de contrôle régissant les systèmes robotiques dans l'usine.

La norme ISO 13849 décrit les critères de conception et de validation pour les composants de commande relatifs à la sécurité. Elle suit une méthodologie basée sur les risques et utilise des niveaux de performance (PL) pour classer l'intégrité du système en fonction de la gravité du danger, de la fréquence d'exposition et des possibilités d'évitement. La norme CEI 62061 traite de la sécurité fonctionnelle des systèmes de commande électriques, électroniques et programmables, en appliquant des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) pour quantifier la réduction des risques requise. Ensemble, ces normes définissent comment les fonctions de détection et de contrôle doivent être conçues, mises en œuvre et vérifiées dans les applications critiques pour la sécurité.

La norme ISO 10218 applique ces principes spécifiquement aux robots industriels. Elle couvre les exigences de sécurité pour la conception des robots, la configuration des cellules de travail, l'intégration système et le fonctionnement. Cela inclut l'utilisation de capteurs de sécurité pour les arrêts d'urgence, la protection et la surveillance des mouvements. Ces composants doivent répondre à des seuils de performances et de fiabilité définis, généralement démontrés par des tests et une validation structurés.

Les normes ISO 13849, CEI 62061 et ISO 10218 constituent le cœur des normes de sécurité robotique. Des normes supplémentaires, notamment CEI 60204-1 pour la sécurité électrique et ISO/TS 15066 pour la collaboration homme-robot, étendent le cadre de base pour un déploiement et une intégration en toute sécurité.

Systèmes de sécurité intégrés pour la collaboration homme-robot

Les exploitants d'usine déploient des solutions de sécurité de fournisseurs tels que SICK et Eaton pour se conformer aux normes de sécurité fonctionnelle et de sécurité des machines. Par exemple, le système Safe EFI-Pro de SICK prend en charge le contrôle en temps réel des fonctions de sécurité des robots fixes et mobiles à l'aide de capteurs, de contrôleurs et d'actionneurs intégrés. Comme illustré à la Figure 2, le scanner laser de sécurité microScan — un composant clé du système — permet la détection adaptative des mouvement en fonction de la situation dans les environnements dynamiques.

Figure 2 : Le scanner laser de sécurité microScan3 de SICK surveille les champs de protection et détecte de manière dynamique les mouvements afin de fournir une protection adaptative dans les environnements industriels. (Source de l'image : SICK)

Les opérateurs implémentent également le système End-of-Arm Safeguard (EOAS) de SICK pour maintenir un champ de protection dynamique autour des têtes d'outils robotiques. Le système EOAS exploite la technologie ToF pour permettre une collaboration homme-robot sûre et sans contact avec des temps de réponse inférieurs à 110 millisecondes.

Pour compléter ces systèmes automatisés, SICK propose des composants de sécurité manuels et périmétriques. L'interrupteur d'arrêt d'urgence ES21 permet aux opérateurs d'arrêter rapidement les machines en cas d'urgence, tandis que l'interrupteur de sécurité sans contact STR1 utilise la technologie RFID pour une surveillance de protection inviolable, prenant en charge des niveaux de codage élevés et la conformité à la norme EN ISO 14119.

Stratégies de protection pour le contrôle des tensions et des pointes d'énergie

Une stratégie de sécurité robotique coordonnée nécessite à la fois des protections au niveau du mouvement et un contrôle fiable de la puissance. Les suppresseurs de tension transitoire d'Eaton limitent les pics de tension et les pointes d'énergie temporaires pour protéger les composants sensibles. Comme illustré à la Figure 3, les disjoncteurs miniatures FAZ-NA, tels que le FAZ-C10/2-NA, protègent le câblage de commande et les composants auxiliaires contre les événements de surintensité.

Figure 3 : Le disjoncteur miniature FAZ-C10/2-NA d'Eaton protège le câblage de commande et les composants auxiliaires contre les événements de surintensité dans les systèmes d'automatisation industrielle. (Source de l'image : Eaton)

Pour prendre en charge la sécurité électrique et l'intégrité système, Eaton propose également un vaste choix de dispositifs de protection des circuits et d'interrupteurs manuels, tels que l'interrupteur à bascule BP-SRR, le sélecteur M22S-WKV-K11 et l'interrupteur à levier BP-STE, qui contrôlent les fonctions et les modes de fonctionnement de l'équipement.

Les limiteurs de courant d'appel Power-NTC et les fusibles PTC réarmables d'Eaton aident à protéger les circuits contre les forts courants d'appel durant la mise sous tension et les conditions de défaillance. Les dispositifs de protection thermique, tels que le fusible thermique TJD, ajoutent une couche de sécurité essentielle en interrompant le flux de courant pour éviter une accumulation de chaleur excessive et dangereuse dans les systèmes robotiques étroitement intégrés.

Systèmes de contrôle distribué et tolérants aux défaillances

Les systèmes robotiques d'usine doivent maintenir une continuité opérationnelle sûre en cas de défaillance des capteurs, de dysfonctionnement des actionneurs ou de perturbation du réseau. Les fabricants s'appuient sur des architectures de détection des défaillances, d'isolation et de récupération (FDIR) distribuées pour minimiser les temps d'arrêt et améliorer la résilience du système. En décentralisant la logique de contrôle sur plusieurs nœuds et en permettant une réponse localisée aux défaillances, l'architecture FDIR réduit l'impact des défaillances des composants individuels et contribue à prévenir des perturbations plus étendues.

Ces stratégies tolérantes aux défaillances sont mises en œuvre via des systèmes de contrôle distribué incluant des diagnostics en temps réel et une redondance intégrée. Les systèmes de contrôle distribué utilisent des diagnostics intégrés pour surveiller en permanence l'état et les performances des composants critiques. Les voies de communication et les capteurs redondants maintiennent l'intégrité du contrôle en cas de défaillance du système principal, tandis que les routines de gestion des erreurs permettent des arrêts contrôlés ou des transitions vers des états de sécurité définis.

FDIR et contrôleur de sécurité Flexi Soft

Ces stratégies sont illustrées par le contrôleur de sécurité Flexi Soft de SICK. Comme illustré à la Figure 4, Flexi Soft prend en charge la robotique de l'Industrie 4.0 basée sur FDIR en permettant une logique de sécurité décentralisée grâce à une extension modulaire et des fonctions configurables conçues pour répondre aux exigences spécifiques des systèmes.

Figure 4 : Le contrôleur de sécurité Flexi Soft de SICK permet une logique de sécurité décentralisée et une extension modulaire pour un contrôle distribué tolérant aux défaillances dans les systèmes robotiques de l'Industrie 4.0. (Source de l'image : SICK)

Les capteurs de qualité industrielle de SICK — y compris les codeurs, les transducteurs de pression, les capteurs photoélectriques et les caméras de vision industrielle telles que le dispositif Ranger3 — fournissent un retour d'informations essentiel sur les systèmes robotiques distribués. Ces capteurs, intégrés à des points de contrôle clés, prennent en charge la surveillance en temps réel, le positionnement dynamique, la détection d'objets et les diagnostics au niveau du système. Cela permet la détection précoce des défaillances, une réponse localisée et un fonctionnement continu dans les environnements distribués.

Détection et surveillance en périphérie pour une automatisation plus intelligente

La robotique de l'Industrie 4.0 exploite de plus en plus la détection et la surveillance en périphérie pour améliorer la visibilité, la réactivité et l'autonomie des systèmes. Au lieu d'envoyer toutes les données à des plateformes centralisées pour le traitement, les systèmes robotiques avancés effectuent désormais des analyses clés plus près de la périphérie, au niveau du capteur ou du dispositif. Cela permet une détection plus rapide des défaillances, une prise de décision plus efficace et une résilience améliorée en cas d'interruption du réseau.

Les dispositifs en périphérie, tels que les caméras industrielles et les moniteurs de circuits, étendent l'intelligence localisée au-delà de la logique de contrôle. Ils capturent les données environnementales et opérationnelles en temps réel, offrant une visibilité au niveau de la machine sur les conditions qui affectent la sécurité, la qualité et la disponibilité. Ces plateformes réduisent la latence, allègent les besoins en bande passante et améliorent la coordination entre les systèmes robotiques distribués.

Edge computing et intelligence embarquée

Ces stratégies en périphérie se reflètent dans des produits tels que la caméra SensingCAM SEC100 de SICK, qui permet la capture et l'analyse d'images en périphérie pour la robotique de l'Industrie 4.0. Comme illustré à la Figure 5, cette caméra fournit un streaming haute résolution et un enregistrement vidéo déclenché par événement pour la reconnaissance d'objets, la surveillance des processus et le contrôle de la qualité.

Figure 5 : La caméra SensingCAM SEC100 de SICK permet la capture et l'analyse d'images en périphérie, pour la surveillance en temps réel et des diagnostics visuels dans les applications d'inspection robotisée. (Source de l'image : SICK)

La caméra industrielle permet une visibilité en temps réel des angles morts et des zones d'inspection dynamiques, et prend en charge l'analyse des causes profondes en capturant des données d'image avant et après les événements de déclenchement.

Le dispositif SEC100 s'intègre facilement aux systèmes de vision industrielle existants et prend en charge la surveillance continue sans surcharger les ressources centralisées. Il génère également des enregistrements visuels pour la documentation sur la qualité, comme la vérification du conditionnement et le suivi de l'assemblage des composants. Intégré au niveau de la machine, le SEC100 rapproche l'intelligence visuelle du point de fonctionnement.

La transition vers un traitement localisé et une visibilité en temps réel s'étend à la surveillance énergétique à l'échelle des installations. Comme illustré à la Figure 6, l'écran tactile PXBCM-DISP-6-XV d'Eaton interagit avec le moniteur de circuit de dérivation Power Xpert pour fournir une visualisation en temps réel des données de tension, de courant et de puissance au niveau du panneau.

Figure 6 : L'écran tactile PXBCM-DISP-6-XV d'Eaton permet la visualisation en temps réel des données de tension, de courant et de puissance au niveau du panneau, afin de faciliter la maintenance prédictive et l'optimisation énergétique. (Source de l'image : Eaton)

Utilisé dans les systèmes industriels, y compris les cellules de travail robotisées, il aide les opérateurs à identifier les irrégularités, à détecter les défaillances et à optimiser la consommation d'énergie. L'écran favorise la maintenance prédictive et améliore la visibilité opérationnelle en permettant l'accès sur site aux diagnostics au niveau du circuit.

Stratégies au niveau système pour la robotique de l'Industrie 4.0

Pour fonctionner de manière sûre et efficace, les systèmes robotiques de l'Industrie 4.0 requièrent une stratégie de déploiement qui unifie la détection, la sécurité, le contrôle et la mise en réseau. Les capteurs et les composants de sécurité doivent répondre à des normes strictes tout en permettant une protection adaptative et une réactivité en temps réel dans les environnements distribués. L'homogénéité des performances entre les différents systèmes industriels repose sur des normes ouvertes et la communication multiprotocole pour garantir l'interopérabilité et l'évolutivité.

Les composants de contrôle doivent traiter d'importants volumes de données en périphérie avec des connexions sécurisées à faible latence vers les systèmes de supervision. La coordination du traitement et du retour d'informations entre les nœuds distribués requiert une synchronisation et un temporisation précises. Les protocoles déterministes, les trajets de signaux à faible gigue et les boucles de commande temporelles aident à maintenir un comportement prévisible en conditions dynamiques. Les architectures tolérantes aux défaillances prennent en charge des états de repli sûrs et un fonctionnement continu, tandis que les systèmes combinant contrôle localisé et surveillance centralisée permettent des processus de fabrication flexibles et reconfigurables.

Résumé

De la fusion de capteurs et de la sécurité fonctionnelle à l'edge computing et au contrôle tolérant aux défaillances, la robotique de l'Industrie 4.0 dépend de systèmes étroitement intégrés qui garantissent un fonctionnement sûr, fiable et réactif dans les environnements complexes. Les solutions des fournisseurs de DigiKey, tels que SICK et Eaton, contribuent à unifier les infrastructures de détection, de protection de l'alimentation et de contrôle, facilitant ainsi un déploiement évolutif, la conformité aux normes et des performances adaptatives.