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  1. Automatisation portuaire
  2. Grue de quai plus intelligente grâce à des contrôles-commandes mobiles

Le système de contrôle-commande pour engins mobiles transforme les grues en machines intelligentes

E-Crane / Indusign transhipment crane for freight handling

Figure1: Indusign construit 10 à 14grues de transbordement par an. Elles sont vendues dans le monde entier sous la marque E-Crane.

En raison de l’augmentation de la demande et du nombre croissant de cargos, il est de plus en plus important d’accélérer le temps de chargement et de déchargement des cargos. Cela implique l’utilisation de grues de transbordement de plus grandes dimensions pour la manutention des marchandises. Les chargeurs ont cependant des difficultés à trouver des grutiers expérimentés. Pour cette raison, cette industrie recherche des grues à la fois performantes et très simples d’utilisation.

Ces dernières années, ces tendances ont mené à une évolution chez Indusign, un constructeur belge de grues basé à Adegem. L’entreprise fondée en 1990 est passée en quelques années, à la demande de nombreux clients, d’un bureau d’études à un rôle de fabricant. Aujourd’hui, elle fabrique annuellement 10 à 14grues qui sont utilisées dans le monde entier sous la marque E-Crane.

Quelques chiffres impressionnants: la plus grande grue est haute de 25m, sa portée est de 45m, elle peut déplacer 45tonnes par cycle et est équipée d’un moteur d’entraînement de 600kW. Ces machines géantes sont couramment utilisées depuis de nombreuses années. Il y a encore 10ans, les grues de manutention avaient une capacité moyenne de 5 à 10tonnes; aujourd’hui c’est 10 à 30tonnes. C’est la seule possibilité pour accélérer les processus de logistique portuaire. Ces grues ne peuvent pas être comparées aux grues de levage. Ces dernières sont en effet conçues pour un nombre limité de mouvements par jour, alors que les grues de manutention peuvent être utilisées en permanence. En outre, on attend de ces machines qu’elles soient particulièrement flexibles, car elles doivent être en mesure de déplacer des conteneurs, de placer à bord une mini-pelleteuse, etc.

Avec l’E-Crane, Indusign a intégré ces dernières années un système de contrôle-commande électronique dans les grues. La première motivation était de remplacer les joysticks initiaux à vannes hydrauliques par une version électronique, car la version hydraulique est de moins en moins utilisée. Un système de contrôle-commande assure ensuite la conversion de la commande électronique en commande de vannes hydrauliques installées sur la grue. Depuis l’intégration de ce système de contrôle-commande, de plus en plus de fonctions ont été ajoutées, ce qui en fait aujourd’hui une machine intelligente dotée d’un système de contrôle-commande et d’une visualisation et avec des possibilités de diagnostic modernes.

Un projet équilibré

La lettre E dans E-Crane signifie «equilibrium» (équilibre) et se rapporte au concept d’équilibrage spécifique à la grue. La flèche (bras principal) forme un parallélogramme. Son deuxième bras est une bielle de liaison qui relie l’avant-bras et le contrepoids de la grue. L’avant-bras est mis en mouvement par le balancement du contrepoids au moyen d’un cylindre hydraulique, qui est transmis à l’avant-bras par la bielle de liaison. Résultat : le contrepoids bascule vers l’arrière lorsque l’avant-bras se déplace vers l’avant, ce qui fait que le centre de gravité de l’ensemble de la structure ne bouge pas.

Grâce à cet équilibre, il est possible de réaliser des économies d’énergie car la puissance du moteur n’est utilisée que pour soulever la charge réelle et naturellement pour déplacer la grue, mais en aucun cas pour compenser un déséquilibre. Par rapport aux grues à câble, cette conception offre un avantage supplémentaire: la charge ne peut pas osciller, et il est donc possible de travailler plus rapidement et indépendamment de l’expérience du grutier. Les grues sont pilotées au moyen de deux joysticks. En plus du mouvement de la flèche et de l’avant-bras, ils permettent de tourner la grue et de procéder à l’ouverture, la fermeture ou la rotation du grappin. L’entraînement de ces mouvements est hydraulique, à cette fin la grue est équipée d’un moteur électrique et d’une pompe hydraulique à bord.

Le passage à une commande électronique est justifié par le fait que les joysticks à vannes hydrauliques précédemment utilisés ne sont aujourd’hui plus disponibles. Ils ont dû être remplacés par des joysticks électroniques et un nouveau système de contrôle-commande pour convertir les signaux d’entrée électriques afin de piloter les vannes hydrauliques. Il est rapidement apparu que la commande électronique offrait de nombreuses possibilités supplémentaires, comme le contrôle de l’accélération et de la décélération au bout de la zone de travail. Le comportement de la grue est moins brusque, ce qui a un impact positif sur la sécurité et la durabilité.

Simultanément, il a été possible de raccorder toutes sortes de capteurs au système de contrôle-commande pour adapter la vitesse au poids de la charge et intégrer une protection contre la surcharge.

Une autre évolution logique est que le grutier dispose désormais d’une interface graphique indiquant l’état chiffré de la grue. La charge de la grue est le paramètre le plus important pour le grutier, néanmoins d’autres messages d’erreur sont également affichés graphiquement sur l’interface. L’interface offre entre autres un grand nombre d’écrans de diagnostic qui permettent d’accéder à une série de données sur l’état de la grue. Une carte mémoire Compact Flash située dans l’interface graphique sauvegarde toutes les deux secondes les valeurs d’environ 60variables.

Tout cela a considérablement modifié les méthodes de travail du grutier et du personnel de maintenance. Dans le passé, il arrivait par exemple que le câble de raccordement du capteur de couple (capteur de force) du bras de la grue se détériore, ce qui entraînait un arrêt de la grue et le système de sécurité était alors shunté dans l’armoire de relais.

Aujourd’hui, cela est réalisé au niveau logiciel, ce qui signifie que l’on peut décider avec le fournisseur de shunter temporairement le système de sécurité. Cette procédure est enregistrée, elle peut déclencher une alarme, etc. et permet ainsi de réduire temporairement la vitesse et de planifier une intervention de maintenance. Cette nouvelle méthode améliore l’efficacité, la fiabilité et la durée de vie de la machine.

Un système de contrôle-commande mobile destiné à des conditions extrêmes

Après mûre réflexion, ce sont les systèmes de contrôle-commande pour engins mobiles de la série R360 d’ifm electronic qui ont été sélectionnés pour cette application. Un avantage typique des systèmes de contrôle-commande mobiles par rapport aux automates «industriels» est leur plus grande robustesse. Dans ce cas, les systèmes de contrôle-commande présentent une résistance aux chocs avec certificat1; ils fonctionnent sur une plage de température de -40 à +60°C, ont un indice de protection IP 67 et sont particulièrement résistants aux perturbations électromagnétiques. Un autre aspect intéressant de cette application c’est que sa faible tension d'alimentation permet de l’alimenter par batterie. La grue peut ainsi fonctionner de manière autonome.

Un autre argument important pour le fabricant de grues était la nature ouverte du système. Indusign dispose d’un savoir-faire technique et souhaite développer et maîtriser la technologie de ses machines. Les systèmes de contrôle-commande d’ifm sont programmés avec CodeSys, un environnement de développement ouvert dans lequel chaque composant du système possède une bibliothèque complète ainsi que des modules logiciels. L’entreprise n’est donc pas dépendante d’un seul fournisseur pour les systèmes liés aux capteurs, vannes et autres composants. Pour ce transfert de savoir-faire elle a appliqué une méthode plutôt spontanée, mais efficace, en impliquant tous les collaborateurs dans le passage aux systèmes électroniques de contrôle-commande. Un banc d’essai comportant un automate, une interface homme-machine et une simulation de toute entrée/sortie utilisable a été mis à disposition à la cantine. Chaque grutier avait l’opportunité de s’entraîner pendant son temps libre. Par ailleurs, le département technique disposait d’une installation similaire à des fins de tests et pour la réalisation des demandes des clients.

L’automatisation de la grue se base sur un bus CAN pour lequel l’automate dispose d’une interface standard. Il y a cinq îlots E/S sur le bus: deux dans l’entraînement, avec le moteur et la pompe hydraulique, deux dans la cabine du conducteur et le dernier sur le châssis de la grue à proximité des vannes. L’afficheur, également développé par ifm, est aussi connecté au bus CAN et permet d’accéder à tous les paramètres du système. Au niveau de cette interface graphique, toutes les variables sont périodiquement sauvegardées sur une carte mémoire. Cet historique est très utile pour le diagnostic et la maintenance d’interfaces spécifiques gérées par l’afficheur.

Diagnostic à distance

L’automatisation des grues offre une autre possibilité: le diagnostic à distance. Pour cela, un modem GSM spécial a été intégré dans le système sur le bus CAN. Ce modem permet d’appeler toutes les grues, partout dans le monde, à partir de l’usine d’Adegem. C’est un modem tribande qui s’adapte automatiquement au réseau local. Au niveau technique, la connexion à distance ne présente pas de difficultés. L’usine d’Adegem a accès aux variables sur le bus de la même façon que l’afficheur sur la grue. En utilisant un logiciel similaire, il est ainsi possible de visualiser en temps réel les mêmes informations que le grutier. Le problème susmentionné du câble de capteur défectueux peut être résolu avec l’utilisateur et le fournisseur via le modem. Différents niveaux d’utilisateur déterminent qui peut participer à quelle intervention. Les données reçues via le modem peuvent aussi être transmises au centre de test du département technique.

Un problème résultant d’une telle conception avec bus CAN est que l’automate principal joue un rôle central, mais aussi crucial pour le fonctionnement de la grue. Tandis que le personnel de maintenance expérimenté devait auparavant réaliser de nombreux ajustements, aujourd’hui toutes les modifications sont initiées avec le logiciel. Pour ces machines géantes, cette situation est assez étrange car, à première vue, cet automate mobile apparaît comme un élément négligeable de l’ensemble du système en termes de dimensions ou d’investissements. Indusign applique à ce problème la même approche ouverte que pour le choix du système de contrôle-commande. En d’autres termes, chaque client souhaitant procéder à des adaptations du système de contrôle-commande reçoit le code source du fournisseur. Dans la pratique, une telle demande n’a pas encore été formulée. Les grues font partie d’un marché que le fabricant connaît parfaitement et où toutes les fonctions du système sont conçues pour répondre aux exigences du secteur. Un dernier élément d’ouverture: une interface avec d’autres logiciels peut être configurée par l’utilisateur depuis la cabine du conducteur.

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