Choisir le bon matériel pour réduire le coût d'un système dans des applications durcies

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Obtenir des mesures fiables dans des environnements extrêmes peut s'avérer difficile et coûteux. Lorsque vous construisez un système de contrôle ou de surveillance destiné à opérer dans des conditions hostiles et à des températures extrêmes, il est important de prendre en compte un certain nombre d'éléments. Au moment de développer une application durcie, tenez compte de la température, des chocs et des vibrations, des certifications environnementales et du facteur de forme du matériel utilisé.

Table des matières

  1. Température
  2. Chocs et vibrations
  3. Certifications environnementales
  4. Dimensions
  5. Options matérielles pour votre système durci
  6. Un matériels conçu pour la robustesse
  7. Ressources supplémentaires

Température

Les applications durcies incluent souvent des tests à des températures extrêmes, ce qui ajoute des contraintes au matériel. Les tests de démarrage à froid pour moteurs, par exemple, reposent sur une chambre d'essai pouvant opérer jusqu'à -40 °C, et nécessitent d'acquérir en continu des données de température, de pression et autres. L'usage d'un matériel n'ayant pas été conçu pour supporter de telles conditions peut provoquer des dysfonctionnements au niveau de ses composants et générer des données incorrectes ou endommager le matériel.

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Figure 1. Une chambre d'essai est utilisée pour pratiquer différents tests sur des moteurs, y compris dans des températures extrêmes.

Il y a deux moyens d'adapter un matériel à ces conditions. Le premier consiste à protéger votre matériel en le plaçant à l'intérieur d'une enceinte de protection. Selon que vous comptez utiliser votre matériel à des températures extrêmement basses ou au contraire à des températures extrêmement élevées, il vous faut mettre en place un système de chauffage ou de refroidissement dans l'enceinte pour maintenir vos composants à une température de fonctionnement. Vous pouvez également envisager d'utiliser un blindage protégeant de l'environnement et sélectionner la couleur de l'enceinte de façon à ce qu'elle réfléchisse la chaleur. Le processus de conception de ce type de protection peut s'avérer long et coûteux.

Autrement, vous pouvez choisir un matériel construit pour supporter ces températures extrêmes. NI fournit des matériels construits sur châssis, capables d'assurer le bon fonctionnement des composants qui y sont insérés dans de telles conditions. Les enceintes sont soumises à des épreuves thermiques et font l'objet de validations, pour garantir que les composants sélectionnés répondent à ces spécifications. Ces épreuves permettent aussi de garantir que l'utilisation du matériel dans ces conditions extrêmes est conforme aux normes internationales.

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Chocs et vibrations

Lors du développement d'une application durcie, il est également important de prendre en compte les spécifications en matière de chocs et de vibrations, afin de construire un système capable de les supporter. De la surveillance de la principale boîte de vitesses d'un système de transmission d'excavateur roue-pelle jusqu'aux mesures analogiques et numériques à l'intérieur d'une voiture de course conçue par des étudiants pour le concours Formula SAE, bon nombre d'applications nécessitent de prendre en considération des valeurs de vibrations et de chocs qui sont induites sur le matériel de test. Si votre matériel est placé dans un environnement difficile et qu'il n'est pas conçu pour supporter une grande quantité de chocs et de vibrations, il se peut que des composants matériels soient endommagés, ce qui pourrait entraîner d'importants frais de réparation ou de remplacement.

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Figure 2.
Cette application soumise à des vibrations élevées surveille la boîte de vitesses principale d'un excavateur roue-pelle KWK-1500s.

Lorsque l'on conçoit un système de test pour un environnement durci, il faut là aussi comparer plusieurs options. Vous pouvez concevoir une enceinte contre les vibrations pour permettre aux composants à l'intérieur du matériel de fonctionner en tenant compte de leur résistance aux chocs et aux vibrations. Pour cela, vous pouvez chercher un moyen d'isoler le matériel à l'intérieur de l'enceinte des vibrations environnantes. Cela peut s'avérer difficile et nécessiter quantité de tests pour s'assurer que le matériel fonctionne correctement face aux valeurs de chocs et de vibrations qui caractérisent cet environnement.

Autrement, vous pouvez choisir un matériel conçu pour répondre à ce type de spécifications. Il existe plusieurs moyens de concevoir un matériel capable de supporter les effets des vibrations. Vous pouvez notamment mettre au point un dispositif anti-vibrations destiné aux composants internes afin qu'ils fonctionnent conformément à leurs spécifications. NI développe du matériel capable de supporter jusqu'à 50 g de choc et 5 g de vibrations. Une fois le matériel conçu, il est recommandé de le monter sur une surface rigide afin qu'il soit conforme à toutes les normes internationales et à une utilisation dans ce type d'environnement difficile. NI effectue tous les tests nécessaires pour s'assurer que les composants des produits de la Série C fonctionnement correctement dans ces conditions extrêmes.


Figure 3.
Test de vibrations avec la plate-forme CompactDAQ.

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Certifications environnementales

Bien qu'il soit indispensable de répondre aux spécifications en termes de chocs, de vibrations et de température au moment du développement d'une application durcie, il faut également prendre en considération l'environnement dans lequel vous allez effectuer vos tests. Cela vaut tout particulièrement dans les zones dangereuses, où de la vapeur ou du gaz potentiellement explosif pourrait être responsable de conditions de fonctionnement anormales. Les usines chimiques et les raffineries sont également considérées des sites dangereux. Lorsque vous développez un test pour une application destinée à servir dans ce type d'environnement, l'obtention des certifications adéquates constitue une partie important du processus.

Les certifications relatives aux tests en milieu dangereux s'appuient – selon la zone géographique où vous vous trouvez – sur les listes des sites dangereux établies par UL et par l'Union Européenne. Elles certifient que les produits sont utilisables en milieu dangereux présentant une atmosphère potentiellement explosive. La certification UL répertorie les dangers en classes et en divisions. Les classes désignent le type de site dangereux, les divisions indiquent les conditions de fonctionnement des produits. Il y a trois classes ; la Classe 1 désigne les emplacements dans lesquels une présence de gaz ou de vapeurs inflammables a été détectée, la Classe 2 prend en compte les poussières combustibles, et la Classe 3 les fibres et les particules inflammables. Les divisions, quant à elles, distinguent les matériels en conditions de fonctionnement normales (Division 1) et ceux en conditions de fonctionnement anormales (Division 2).

Généralement, il est nécessaire de faire passer tous les tests de certification à l'ensemble de votre système de test afin de vous assurer de sa capacité à fonctionner dans des environnements difficiles. Le processus de test de tout le matériel peut être laborieux et coûteux, mais il est indispensable pour pouvoir travailler dans ce type d'environnements.

Figure 4. Ce test de pipeline requiert une certification pour les sites dangereux.

L'homologation Lloyd’s Register est une autre certification couramment utilisée pour les applications durcies. Cette certification consiste en une évaluation effectuée par une tierce partie attestant qu'un produit est conforme aux normes nationales et internationales, ainsi qu'en une vérification de la qualité du système de production du fabricant. L'homologation de Lloyd’s Register concerne les produits utilisés dans les applications maritimes et offshore, les usines et processus industriels, et le secteur des technologies de l'information. En plus de garantir que les produits répondent aux normes de sécurité d'un environnement marin, cette homologation apporte la garantie que les performances du produit sont préservées dans les conditions propres à un environnement maritime.

Pour obtenir cette certification, votre matériel doit être soumis à tout un processus défini par la société tierce qui l'évalue. Tout d'abord, la société tierce doit revoir toute la conception du matériel afin de garantir que celle-ci est conforme aux spécifications et aux codes spécifiques. Ensuite, elle doit assister aux inspections et aux tests, et sauvegarder les données pour des vérifications et validations ultérieures. Si tout est approuvé, alors le matériel est validé et autorisé à utiliser l'homologation "Lloyd’s Register Type Approval". Le processus de certification matérielle est intensif et coûteux, mais il est indispensable pour que vous puissiez revendiquer que votre matériel dispose de cette certification.

NI propose toute une variété de matériels dotés de diverses certifications environnementales industrielles conformes aux normes internationales applicables. Ces matériels ont déjà passé avec succès la série de tests stricts indispensables pour certifier votre application. Ces certifications garantissent aussi bien la conformité de votre matériel pour une utilisation sur des sites dangereux que son homologation pour une utilisation dans un environnement maritime.

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Dimensions

Les dimensions du matériel sont un facteur important à prendre en compte lors de la construction d'une application durcie. L'encombrement du système de test est décisif lorsqu'il s'agit de choisir quel matériel utiliser dans des environnements exigeants tels que le pont d'une plate-forme pétrolière offshore ou au beau milieu du désert. Si le matériau dont il est constitué ne peut pas supporter les environnements difficiles et a besoin d'une enceinte protectrice, cela peut considérablement accroître l'espace occupé par le système. Si l'enceinte nécessaire pour protéger le matériel est trop encombrante, cela peut restreindre les endroits où vous pouvez conduire les tests. Pour des applications distribuées et distantes, il est indispensable de réduire la taille du matériel.

Figure 5. Les chambres d'essai pour moteur sont un autre exemple d'applications qui nécessitent fréquemment un matériel durci et peu encombrant.

De plus, il faut prendre en considération la manière dont le matériel se refroidit. Il peut en effet se refroidir de différentes façons : de manière passive ou active. Le matériel qui se refroidit de manière passive peut être davantage durci car il n'est pas constitué de pièces mobiles. Si votre matériel a besoin de pièces mobiles pour se refroidir lors des tests, cela risque de limiter les lieux où les tests peuvent être conduits. C'est le cas par exemple lorsque des ventilateurs refroidissent le matériel pendant son fonctionnement. Avec des matériels refroidis de manière active, des composants mécaniques consommateurs d'énergie entrent en ligne de compte pour d'autres considérations durcies telles que la gamme de températures dans laquelle ils peuvent fonctionner ou les spécifications de chocs et de vibrations qu'ils peuvent supporter pendant leur utilisation.

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Options matérielles pour votre système durci

Le fait de connaître le type d'environnement dans lequel votre application va fonctionner et de savoir comment les autres facteurs externes vont affecter votre installation détermine si vous souhaitez développer une enceinte ou au contraire choisir un matériel conçu pour sa robustesse. Avec des gammes de produits comme le CompactDAQ et le CompactRIO, tout le laborieux travail de test permettant de garantir que votre matériel résiste à ces environnements exigeants et extrêmes a déjà été fait pour vous.

Entre ces deux produits, c'est le type d'application qui déterminera lequel utiliser dans un système durci. Par exemple, êtes-vous en train de surveiller différentes mesures ou d'effectuer des tâches de contrôle et de surveillance ? Que l'application exige une simple surveillance de signaux en continu ou que les données soient enregistrées pour un post-traitement ultérieur, le CompactDAQ se présente comme une très bonne solution. Si vous avez besoin d'effectuer n'importe quel traitement sur le circuit FPGA intégré ou de l'utiliser en tant que contrôleur dans un système de contrôle, le CompactRIO est le meilleur choix.

Le CompactDAQ est une plate-forme modulaire de mesures de tout type de signaux avec du conditionnement du signal intégré et un large éventail d'options d'E/S. Avec le système CompactDAQ, vous pouvez construire un système parfaitement adapté à votre application, sans payer pour des fonctionnalités dont vous n'avez pas besoin, et assez souple pour être modifié en fonction de l'évolution de votre système. Le CompactDAQ et tous les modules de la Série C sont construits en fonte d'aluminium A380, ce qui permet d'obtenir un système durci capable de supporter des températures de -20 à +55 °C en fonctionnement et des chocs jusqu'à 30 g. Les versions durcies des châssis et des contrôleurs CompactDAQ – NI cDAQ-9188XT  et NI cDAQ-9134 – peuvent supporter des températures allant de -40 à +70 °C en fonctionnement, et des chocs jusqu'à 50 g. Avec un système robuste et flexible comme le CompactDAQ, vous pouvez reconfigurer et déplacer un système de test d'un endroit à un autre sans avoir à acheter différents équipements pour chaque banc de test ou chaque laboratoire. Les modules de la Série C, utilisés dans les châssis et les contrôleurs CompactDAQ, sont également durcis et conçus avec des loquets à ressorts destinés à les fixer lorsqu'ils sont installés dans le châssis. Les exigences en termes de résistance aux chocs et aux vibrations sont testées sur un système CompactDAQ avec des modules installés. Il n'y a donc pas de danger qu'un module tombe ou sorte de son emplacement dans les conditions spécifiées. Les version durcies des systèmes CompactDAQ ont également été soumis à des test rigoureux, et disposent des certification de l'Union Européenne et de UL sur les sites dangereux. La robustesse du CompactDAQ vous permet de commencer rapidement vos tests, étant donné qu'il faut moins de temps pour préparer l'instrumentation aux tests de terrain.

Figure 6. Le cDAQ-9188XT complète la famille CompactDAQ en supportant des températures allant de -40 à +70 °C, 50 g de choc et 5 g de vibrations, de sorte que vous puissez effectuer des mesures en tout lieu.

Le système CompactRIO associe une architecture ouverte embarquée de petite taille, une robustesse extrême, des modules d'E/S industriels échangeables à chaud, et s'appuie sur la technologie d'E/S reconfigurables (RIO) LabVIEW. La taille, le poids et la densité des E/S sont des exigences de conception critiques dans de nombreuses applications embarquées de ce type. En tirant parti des performances optimales et de la compacité des matériels basés FPGA, le CompactRIO offre des capacités d'acquisition et de contrôle inédites dans un boîtier durci, avec des certifications et dans des gammes industrielles extrêmes lui permettant de fonctionner dans des environnements industriels contraignants. Au nombre des caractéristiques disponibles sur le CompactRIO, nous pouvons ajouter des gammes de températures comprises entre -40 et +70 °C (-40 °F to +158 °F), une résistance aux chocs de 50 g, ainsi qu'une grande variété de certificats internationaux relatifs à la sécurité, la CEM (compatibilité électromagnétique) et l'environnement.

Figure 7. Les systèmes CompactRIO ultra-durcis offrent des performances de haut niveau et une grande souplesse.

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Un matériels conçu pour la robustesse

Il existe plusieurs moyens de concevoir et de construire votre système de façon à ce qu'il supporte les facteurs externes l'affectant dans le cadre d'environnements exigeants et difficiles. Parmi les contraintes à étudier, il faut absolument citer la gamme de températures dans l'environnement en question, les spécifications de chocs et de vibrations que votre matériel doit supporter, toutes les certifications environnementales requises, ainsi que les dimensions et les caractéristiques dont a besoin le système dans sa globalité. Si vous devez construire un système répondant à ces exigences, vous pouvez gagner du temps et vous éviter bien des frustrations en utilisant un matériel déjà durci, tel que les systèmes CompactDAQ et CompactRIO, au lieu d'effectuer des tests visant à vous assurer que le système est conforme aux certifications environnementales ou qu'il fonctionne correctement à l'intérieur de l'enceinte conçue pour le matériel.

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