Spécifier des solutions d'éclairage LED pour les environnements industriels

L'éclairage est un élément essentiel de conception d'environnements industriels sûrs, efficaces et rentables dans divers domaines tels que la logistique, le fonctionnement des machines, les armoires de commande, les postes de travail et les chaînes de fabrication. Dans un nombre croissant de cas, les LED peuvent fournir des solutions d'éclairage supérieures. Par rapport aux technologies d'éclairage traditionnelles (lampes fluorescentes, halogénures, sodium haute pression, etc.), les luminaires LED sont plus écoénergétiques, réduisant les coûts d'exploitation, et plus durables, réduisant les coûts de maintenance. Les luminaires industriels sont souvent utilisés en environnements difficiles et doivent inclure une protection contre les infiltrations et des niveaux spécifiques de qualité de l'alimentation, en plus de garantir l'hygiène et la sécurité sur le lieu de travail. L'équilibre entre ces diverses exigences complique le processus de sélection des luminaires.

Cet article passe en revue les mesures de performances, notamment les lumens, les watts, le rendement, les lux, la distribution de flux lumineux zonal, la température de couleur proximale, l'indice de rendu des couleurs, la durée de vie nominale et les coûts associés aux luminaires industriels, avec un accent particulier sur les LED. Il détaille ensuite les considérations environnementales, telles que les exigences en matière de protection contre les infiltrations, la distorsion harmonique totale et les exigences en matière de qualité de l'alimentation, ainsi que l'éclairage pour les environnements dangereux. Enfin, l'article présente des solutions spécifiques de Banner Engineering pour l'éclairage dans les systèmes Pick-to-Light, le guidage des chariots élévateurs, et l'éclairage général des postes de travail, des machines et des armoires de commande (Figure 1).

Figure 1 : Les luminaires LED sont disponibles dans de nombreux formats optimisés pour une grande variété d'applications. (Source de l'image : Banner Engineering)

Mesures de performances

La spécification du niveau d'éclairement est la base de la sélection du luminaire optimal pour une application donnée. Il existe de nombreux paramètres à prendre en compte, s'étendant du rendement opérationnel du luminaire à l'imitation de la lumière blanche standard. Cela a commencé avec la bougie, remplacée par la candela (Cd). La Cd est une unité SI de base qui mesure l'intensité lumineuse de la lumière visible émise par une source spécifique (bougie standard) dans une direction spécifique. En se basant sur le concept d'une Cd, les paramètres importants pour comparer les luminaires sont les suivants :

• Lumen (lm) – Flux lumineux égal à la lumière émise dans un angle solide unité par une source ponctuelle uniforme d'une Cd, en tenant compte de la sortie lumineuse dans toutes les directions.
• Watt (W) – Consommation de courant : pour les circuits CC, W = V_CC x ampères ; pour les circuits CA, W = V_RMS x ampères.
• Rendement (lm/W) – Rendement avec lequel une source lumineuse produit une lumière visible.
• Lux (lm/m²) – Intensité de la lumière frappant une surface, telle que perçue par l'œil humain.
• Distribution du flux lumineux zonal – Distribution des lumens émis par un luminaire en zones dans des plans verticaux discrets. Paramètre utilisé pour déterminer les exigences d'espacement d'un luminaire.
• Température de couleur proximale (CCT) – Température, en degrés Kelvin (K), d'un corps noir dont la chromaticité est égale à celle de la source lumineuse. La valeur CCT de la lumière blanche s'étend de 2700 K à 6500 K.
• Indice de rendu des couleurs (IRC) – Capacité d'une source de lumière à révéler fidèlement les couleurs de divers objets par rapport à une source de lumière idéale ou naturelle. Les IRC vont de 0 à 100. Les ampoules à incandescence ont un IRC de 100, les LED ont un IRC s'étendant de 80 à 90+.

Avec l'évolution des technologies d'éclairage, le processus de spécification de la solution optimale est devenu plus compliqué. Par exemple, le rendement des LED est nettement supérieur à celui des lampes fluorescentes et des lampes à décharge à haute intensité (DHI). Alors que les lampes fluorescentes et DHI émettent de la lumière dans toutes les directions, les LED sont directionnelles. En définitive, les mesures sont surtout utiles pour comparer les LED entre elles, les lampes fluorescentes entre elles, etc. Pour comparer différentes technologies d'éclairage, les utilisateurs doivent souvent évaluer des échantillons côte à côte pour déterminer laquelle est la meilleure.

Outre la qualité de la lumière produite, les utilisateurs doivent tenir compte de la distorsion harmonique totale (THD) et du facteur de puissance (PF) du ballast ou du circuit d'attaque alimentant le luminaire. La distorsion harmonique totale est une mesure de la distorsion du courant électrique circulant dans un convertisseur de puissance électronique. Une faible valeur THD implique des courants de crête plus faibles et un meilleur rendement du réseau de distribution d'électricité dans un bâtiment, ainsi qu'une demande moindre auprès du fournisseur d'électricité local. La norme IEEE 519-2014 est une référence utile pour comprendre les harmoniques et appliquer les limites harmoniques dans les systèmes d'alimentation. Des THD de 20 % ou moins sont généralement requises. Le facteur de puissance est une mesure tout aussi importante. Une charge (ballast ou circuit d'attaque) avec un faible PF consomme plus de courant qu'une charge avec un PF élevé pour une puissance de sortie égale. Le facteur de puissance est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1. Les ballasts et les circuits d'attaque doivent avoir des PF d'au moins 0,9.

Considérations relatives à la durée de vie et aux coûts

Les LED ont généralement une durée de vie supérieure à 25 000 heures, mais leur rendement et leur luminosité diminuent avec le temps. La durée de vie des luminaires LED est basée sur le nombre d'heures nécessaires pour tomber à 70 % de la sortie lumineuse initiale (paramètre L70). Les technologies d'éclairage non-LED subissent des défaillances catastrophiques à un moment ou à un autre ; leur durée de vie est définie comme le nombre d'heures de fonctionnement au bout duquel 50 % des unités sont censées être défaillantes. Les technologies non-LED connaissent également une baisse des valeurs lumineuses à mesure qu'elles vieillissent. Appelé dépréciation de flux lumineux de la lampe (LLD), cet effet varie selon les technologies d'éclairage (Tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison de la dépréciation lumineuse et de la durée de vie nominale des lampes. (Source du tableau : Banner Engineering)

Pour comparer le coût des technologies d'éclairage, les utilisateurs doivent prendre en compte les coûts initiaux de main-d'œuvre et d'équipement, ainsi que les coûts d'énergie, d'entretien et d'équipement pendant la durée de vie du luminaire (Figure 2). Les coûts initiaux de main-d'œuvre et d'équipement peuvent être compensés par un rendement énergétique accru et des besoins de maintenance moindres, et des LED plus durables et plus efficaces peuvent permettre de réaliser d'importantes économies pendant la durée de vie.

Figure 2 : Comparaison des coûts d'éclairage sur la base d'un cycle de vie de 15 ans. (Source de l'image : Banner Engineering)

Exigences environnementales

Les luminaires utilisés dans les installations industrielles doivent être conçus pour résister à des conditions dangereuses. Le NEC (National Electrical Code) définit trois types de zones dangereuses :

• Classe I – Gaz ou vapeurs inflammables
• Classe II – Poussières combustibles
• Classe III – Fibres ou particules facilement inflammables

La réglementation fédérale américaine exige que les équipements soient marqués pour indiquer la classe, le groupe, et la température ou la plage de températures de fonctionnement, sur la base d'un fonctionnement à une température ambiante de 40°C pour laquelle ils sont approuvés.

Les indices de protection (IP) sont importants et sont signalés par deux chiffres. Le premier décrit la résistance de l'équipement aux corps étrangers solides, tels que la poussière, et le deuxième décrit le degré de protection contre l'eau. Les luminaires répertoriés IP67 sont résistants à la poussière et à l'eau, ce qui les rend adaptés à de nombreux environnements industriels, et ils peuvent supporter une immersion de courte durée dans l'eau. Les luminaires répertoriés IP68g offrent une protection supplémentaire et sont plus résistants à la pénétration d'huile et d'eau.

Les vibrations et les températures extrêmes sont fréquentes dans les environnements industriels. Les filaments fins, les composants délicats et les enveloppes en verre utilisés dans certaines technologies d'éclairage peuvent être particulièrement vulnérables aux dommages causés par les vibrations. Les LED ne contiennent pas de composants délicats et sont beaucoup plus résistantes aux vibrations et aux chocs. Bien que les LED soient mécaniquement robustes, les températures ambiantes élevées ont tendance à réduire leur rendement et leur durée de vie. En revanche, par rapport à d'autres technologies d'éclairage, les LED sont mieux adaptées aux entrepôts frigorifiques et à d'autres installations où les températures peuvent descendre jusqu'à -40°C.

Luminaires pour Pick-to-Light

Les systèmes Pick-to-Light peuvent réduire le coût des opérations de préparation de commandes en entrepôt grâce à un rendement, une productivité et une précision accrus. Pour les installations Pick-to-Light, Banner propose la série EZ-LIGHT® K50L, dont le K50LGRASXPQ (Figure 3). Les luminaires K50L sont proposés avec une LED (verte), deux LED (verte et rouge) ou trois LED (verte, rouge et jaune), selon le modèle, et ils sont résistants aux vibrations. Le K50LGRASXPQ offre un éclairage LED vert et rouge ainsi qu'une alarme sonore à tonalités multiples. Les fonctionnalités de la série K50L incluent :

• Facilité d'installation, avec voyants LED lumineux et alarme sonore
• Robustesse et étanchéité complète. Protection IP67 ou IP69K selon DIN 40050-9, en fonction du modèle
• Aucun contrôleur externe requis pour ces luminaires autonomes
• Immunité aux perturbations radioélectriques (RFI) et aux interférences électromagnétiques (EMI)
• Alarme sonore sur les modèles IP67 avec intensité réglable pouvant être continue ou staccato
• Installation flexible avec entrées de 12 V_CC à 30 V_CC et protection contre la polarité inverse

Figure 3 : Les luminaires Pick-to-Light série K50 de Banner Engineering fonctionnent en courant continu avec une indication sonore continue ou staccato et un choix de 1, 2 ou 3 voyants LED couleur, selon le modèle. (Source de l'image : Banner Engineering)

Capteurs et luminaires pour le guidage des chariots élévateurs

Les conducteurs de chariots élévateurs ont souvent une visibilité limitée, ce qui les oblige à descendre plusieurs fois pour déposer des charges difficiles. L'efficacité des opérations de manutention peut être accrue grâce à l'utilisation de capteurs et de luminaires pour le guidage des chariots élévateurs. Par exemple, le luminaire modèle WLS27PXRGBW285DSQ de Banner fait partie de la série WLS27 Pro. Il mesure 285 mm de long, est doté des indices environnementaux IP66, IP67 et IP69K et inclut des LED rouges, vertes, bleues et blanches (Figure 4).

Figure 4 : Ce luminaire de 285 mm de long inclut des LED rouges, vertes, bleues et blanches et peut être utilisé pour le guidage des chariots élévateurs. Il est doté des indices environnementaux IP66, IP67 et IP69K. (Source de l'image : Banner Engineering)

Tous les luminaires de la série WLS27 Pro peuvent afficher des animations multicolores à des vitesses et des motifs variables et être segmentés, ce qui les rend bien adaptés aux systèmes de guidage des chariots élévateurs. Avec des boîtiers en copolyester incassable dans des cadres en aluminium, les unités WLS27 Pro résistent à la casse et aux chocs. Leur protection IP69K leur permet de fonctionner en conditions de lavages difficiles et en environnements extérieurs. Les fonctions de temporisateur et de compteur intégrées leur permettent d'afficher des informations temporelles ou quantitatives, notamment la distance et la position, à l'aide de signaux pulsés.

Les luminaires WLS27 Pro peuvent être combinés avec le capteur laser multifonction Q5X pour mettre en œuvre des systèmes de guidage de chariots élévateurs (Figure 5). Le Q5X a une portée de 50 mm à 5 m. Les autres fonctionnalités incluent :

• Détection fiable d'objets transparents et réfléchissants, de cibles multicolores, de cibles noires sur fond métallique brillant, de cibles noires sur fond noir, et d'objets sombres (cibles noires réfléchissantes < 0,1 %)
• Le mode d'apprentissage double mesure à la fois l'intensité lumineuse et la distance
• Capacité de rotation de 270 degrés pour répondre à de nombreuses contraintes de montage
• Programmable via IO-Link, apprentissage à distance, interface utilisateur embarquée, ou affichage du capteur à distance en option

Figure 5 : Un capteur laser multifonction comme le Q5X de Banner Engineering peut être utilisé pour implémenter un système de guidage de chariots élévateurs. (Image : Banner Engineering)

Options d'éclairage général

Le WLB32ZC285PBQMB de Banner est un luminaire LED ultra-lumineux de 285 mm de long qui offre une sortie lumineuse homogène de 750 lm avec une lumière non éblouissante (Figure 6). Il fait partie de la gamme WLB32, qui comprend des luminaires de 285 mm à 1130 mm de long avec des caractéristiques d'éclairement de 750 lm à 3000 lm. Ces luminaires sont conçus pour les postes de travail, l'éclairage des machines, les armoires de commande et les chaînes de fabrication.

Figure 6 : Le modèle WLB32ZC285PBQMB de Banner est une barre d'éclairage LED ultra-lumineuse de 285 mm de long pour les besoins d'éclairage généraux. (Image : Banner Engineering)

Des barres d'éclairage WLB32 pouvant former une longueur continue d'éclairage par connexion en chaîne avec un minimum de câblage sont disponibles, tout en maintenant un fonctionnement indépendant de chaque barre d'éclairage. Les autres fonctionnalités incluent :

• Interrupteur haut/bas/arrêt
• Logement métallique et fenêtre incassables
• Installation flexible à l'aide de clips ou de supports magnétiques ou angulaires
• Écran protecteur bloquant l'éblouissement latéral sur certains modèles
• Détection de mouvement sur certains modèles

Résumé

De nombreux facteurs environnementaux, de performances et de coûts doivent être pris en compte lors de la spécification de solutions d'éclairage industriel. Dans un nombre croissant de cas, les luminaires LED constituent une option intéressante. Par rapport aux technologies d'éclairage traditionnelles, les luminaires LED offrent une plus grande souplesse et une plus grande fiabilité d'éclairage, et les LED offrent un meilleur rendement énergétique, une durée de vie plus longue et des exigences de maintenance moindres. Par conséquent, même si les coûts d'installation initiaux des LED peuvent s'avérer plus élevés que ceux des autres technologies d'éclairage, les LED offrent des solutions d'éclairage supérieures ainsi que des coûts de cycle de vie inférieurs.