Technologies de capteurs avancées : surveillance de la santé des machines et des actifs dans les systèmes industriels

Les données issues de la surveillance d'équipements distants sont critiques pour le fonctionnement de tout processus industriel. Souvent, ces données sont gérées par un système de contrôle SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) via un réseau Ethernet et TCP/IP sur une topologie en bus, étoile ou arbre. Les systèmes IIoT (Industrial Internet of Things) viennent souvent compléter, voire remplacer, ces systèmes hérités pour permettre un réseau sans fil de nœuds connectés à une passerelle remontant vers le cloud pour des analyses plus complexes. Qu'il s'agisse de technologies filaires ou sans fil, les capteurs sous-jacents constituent l'épine dorsale des données nécessaires à l'évaluation et l'analyse des équipements d'usine.

Cet article offre une vue d'ensemble des applications de surveillance de la santé des machines et des actifs industriels, ainsi qu'un aperçu des technologies de capteurs couramment utilisées.

Applications de surveillance dans l'IIoT

Les applications de surveillance à distance de la santé des machines et des actifs s'étendent sur une vaste gamme de secteurs verticaux avec une variété de types de capteurs utilisés conjointement avec des protocoles sans fil pour atteindre une transmission de données en temps réel ou quasi temps réel. Dans l'architecture SCADA traditionnelle, les nœuds capteurs/actionneurs se connectent à des modules E/S industriels — souvent des automates programmables (PLC) ou des unités terminales distantes (RTU). Ces modules E/S envoient les données des capteurs vers et depuis les nœuds sur la base du retour d'ordinateurs de supervision — souvent des interfaces homme-machine (IHM) — qui collectent et diffusent les données selon les entrées humaines.

Dans un réseau de capteurs sans fil industriel (IWSN), plusieurs nœuds capteurs se connectent sans fil à une passerelle en topologie point-multipoint (PtMP) via une bande de fréquence licenciée ou non et un protocole sans fil particulier. Dans les applications industrielles, cela varie des protocoles spécifiques à l'industrie comme WirelessHART, aux réseaux cellulaires, en passant par des protocoles plus commerciaux comme Zigbee. Cela contourne le câblage des modules E/S séparés de l'architecture SCADA, compressant cette hiérarchie en transferts de données simplifiés : nœuds capteurs → passerelle/station de base → plateforme cloud centralisée pour analyses complexes.

Surveillance de l'état des machines

Les applications des IWSN pour la surveillance de l'état des machines incluent les équipements de positionnement industriels et les moteurs/entraînements ainsi que la surveillance d'actifs. Les moteurs asynchrones, par exemple, se retrouvent dans une immense gamme d'équipements : machines CNC de précision, grues industrielles, poulies, convoyeurs. Toute défaillance dégrade la précision mécanique ou cause un arrêt d'usine, réduisant le temps opérationnel précieux avec coûts de réparation. Les défaillances mécaniques courantes des moteurs sont : fissuration des barres du rotor, défaut de court-circuit d'enroulement, variations d'entrefer, défauts de roulements.

Les accéléromètres sont le plus couramment utilisés pour l'analyse vibratoire — la plupart des défauts mécaniques dans les machines tournantes entraînent une augmentation détectable des niveaux de vibration. D'autres mesures incluent l'analyse de signature de courant moteur (MCSA) où les distorsions des formes d'onde de courant permettent d'identifier le défaut précis selon l'amplitude et la fréquence du pic. Cette méthode utilise souvent un transformateur de courant à pince (CT).

Outre les accéléromètres et capteurs de courant, les capteurs de température, humidité, pression et niveau sont largement exploités dans les IWSN. Dans la surveillance d'actifs, le suivi du niveau de remplissage de réservoirs pour le mélange chimique, alimentaire, pharmaceutique est crucial pour garantir des dosages précis. Des capteurs de pression ou de niveau liquide mesurent ce niveau. La surveillance de flux d'air ou liquide s'effectue aussi via capteurs de pression et liquides dans les systèmes de filtration d'air industriels ou CVC commerciaux. Dans les stations de traitement d'eau, les filtres présentent des différentiels de pression entre l'entrée (influent) et la sortie (effluent) où performance et colmatage peuvent être suivis par capteurs de pression.

Divers principes fondamentaux (optique, électromagnétique, radar, mécanique, ultrasonique, acoustique, etc.) peuvent aboutir au même résultat de détection. Cette variété existe pour les capteurs de niveau, humidité et température. Le choix technologique équilibre prix, précision, format, facilité d'installation/calibration, temps de réponse, surveillance continue ou discrète. Les sections suivantes abordent les capteurs couramment utilisés dans les IWSN.

Zoom sur les capteurs couramment utilisés

Accéléromètres

Comme mentionné, les accéléromètres sont la pierre angulaire de la surveillance vibratoire des équipements. Ils collectent des paramètres (accélération, décélération, choc) à partir de données de tension, transformées en vibro-diagnostic en domaine temporel ou fréquentiel. En domaine temporel, la collecte et la distribution d'échantillons de signal permettent de noter l'évolution du comportement machine. Une forme simple d'analyse vibratoire temporelle consiste à définir des « limites d'alarme » avec la vitesse RMS (Root Mean Square) du carter de la machine (norme ISO 2372).

L'analyse temporelle a l'inconvénient de ne pas détecter les défauts précocement, car plus de données sont nécessaires pour observer une différence ; cependant, les formes d'onde temporelles excellent pour classifier des événements transitoires ou intermittents. En domaine fréquentiel, les divers défauts produisent des différences apparentes dans le contenu spectral de puissance (pics de vitesse vibratoire à diverses fréquences) permettant une meilleure isolation des défauts. Si l'analyse temporelle examine souvent des problèmes déjà connus ou aux motifs spécifiques recherchés, l'analyse fréquentielle permet un examen plus large où l'identification des défauts est bien plus évidente. Les accéléromètres multi-axes sont particulièrement précieux, collectant des données dans les directions axiale et radiale. Ils suivent l'un de ces principes : capacitif, piézoélectrique ou piézorésistif.

Les plus courants sont les accéléromètres capacitifs où une masse d'épreuve suspendue par ressort se déséquilibre sous contrainte d'accélération. Ce déplacement est enregistré par des électrodes via un changement de capacitance donnant taux et direction d'accélération. Les accéléromètres piézoélectriques utilisent aussi une masse d'épreuve ; son déplacement cause une contrainte de cisaillement dans le matériau piézoélectrique se traduisant directement en sortie électrique. Similaire aux capteurs de pression et niveau, un accéléromètre peut exploiter le principe piézorésistif avec une masse d'épreuve et jauges de contrainte pour obtenir un résultat d'accélération.

Capteurs de courant

Applications industrielles : analyse MCSA pour équipements, comptage intelligent, applications impliquant des alimentations (contrôle d'onduleurs, alimentations sans interruption, soudage, etc.). Les capteurs de courant exploitent l'un de quatre principes de base : loi d'Ohm, loi de Faraday, effet Faraday, ou détection de champ magnétique.

Un capteur de courant à shunt résistif exploite la loi d'Ohm : un élément résistif en série avec le conducteur parcouru par le courant désiré. Une partie du courant traverse l'élément, créant une chute de tension proportionnelle au courant.

Les transformateurs de courant (CT) exploitent la loi d'induction de Faraday. Le transformateur comporte plusieurs enroulements autour d'un noyau magnétique à haute perméabilité. L'enroulement primaire (ou le conducteur porteur de courant) peut être de quelques spires ou simplement une ligne traversant le noyau. Le courant alternatif dans l'enroulement primaire concentre les lignes de flux magnétique dans le noyau, induisant un courant dans l'enroulement secondaire directement proportionnel au courant primaire, offrant une mesure du flux de courant.

Une bobine de Rogowski utilise le même principe, avec un noyau de perméabilité magnétique proche de l'air. La tension induite dans l'enroulement secondaire est proportionnelle à la dérivée temporelle du courant désiré. L'enroulement secondaire est donc terminé par un circuit intégrateur à amplificateur opérationnel.

Les capteurs de champ magnétique à effet Hall sont utilisés en architecture à boucle ouverte ou fermée. L'effet Hall décrit le vecteur de tension perpendiculaire généré en présence d'un courant et champ magnétique traversant une bande de métal. En boucle ouverte, le conducteur passe au centre d'un noyau magnétique à haute perméabilité ; un capteur Hall placé dans un entrefer du noyau crée une tension proportionnelle au courant, nécessitant un amplificateur car la tension de sortie est faible.

En boucle fermée, une bobine de compensation (enroulement secondaire) produit un champ s'opposant au courant dans le conducteur pour qu'aucun champ magnétique ne soit vu au capteur Hall. L'enroulement secondaire est piloté par des amplificateurs dans l'IC de détection de courant et terminé par une résistance de charge. Le courant dans le conducteur est proportionnel à la tension à cette résistance de sortie.

Capteurs de pression

Le terme « capteur de pression » englobe capteurs, transducteurs et transmetteurs de pression. En général, les capteurs produisent un signal de sortie 10 mV utilisable à 3-6 m des équipements sans perte notable. Les transducteurs produisent des tensions plus élevées (0,5 à 4,5 V) transmissibles au-delà de 6 m sans dégradation. Les transmetteurs offrent un signal de courant 4-20 mA. Les configurations incluent pont de Wheatstone/piézorésistif, capacitif, électromagnétique, piézoélectrique, optique.

Cet article se concentre sur le type le plus courant : configuration pont/piézorésistif. Les capteurs de pression les plus courants reposent sur l'effet piézorésistif : le changement de résistance lors de la déformation d'un matériau corrèle à la pression subie. Typiquement, ces capteurs ont un diaphragme de mesure où le côté face au gaz/liquide (fluide hydraulique, eau, huile) est exposé à une pression de « référence » tandis que l'autre côté est exposé à la haute pression. Le diaphragme se déforme et des jauges de contrainte mesurent la différence de pression pour la transduire en grandeur électrique prête à transmettre.

Les jauges de contrainte agissent comme éléments résistifs dont le changement de résistance est proportionnel à la contrainte subie. Elles sont soit de type feuille collée (fabrication par pulvérisation), soit de type diffusion, jauge silicium (jauge semi-conducteur), produite par diffusion d'impuretés dans un diaphragme silicium. La jauge feuille supporte des pressions plus élevées ; la jauge semi-conducteur offre une sensibilité plus élevée, utilisée pour basses pressions. Cependant, les jauges silicium sont fortement influencées par la température et ont des températures de fonctionnement plus basses que les jauges feuille.

Capteurs de niveau liquide

Les capteurs de niveau détectent la quantité de liquide, poudres ou matériaux granulaires (ex: granulés) dans un conteneur. Comme pour la pression, cette mesure s'accomplit de diverses manières. Cette section se concentre sur le capteur hydrostatique à diaphragme.

Le capteur de niveau hydrostatique repose sur les mêmes principes piézorésistifs que le capteur de pression type pont. C'est en fait un capteur de pression où le niveau montant/descendant du liquide dans un réservoir corrèle à un changement de pression dans le diaphragme, maintenant une relation hautement linéaire avec la profondeur du liquide. La pression statique P du liquide équivaut à la gravité spécifique du liquide (γ) multipliée par la hauteur du liquide (h) : P = γ × h.

Conclusion

Comprendre les technologies de capteurs sous-jacentes utilisées dans la surveillance industrielle offre des perspectives pour quiconque participe à la conception et au développement de systèmes industriels. Chaque capteur peut exploiter divers principes fondamentaux, chacun avec ses avantages et considérations. La collecte et la diffusion des données de ces capteurs peuvent impliquer une dorsale filaire ou sans fil, où l'IIoT a particulièrement le potentiel d'analyses de données plus complexes pour les futures applications industrielles.

Cet article a été rédigé par Tinu Oza, Responsable de ligne de produits chez L-com, North Andover, MA. Pour plus d'informations, visitez ici.

Référence

1. Lewis, Joe. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.