Brevet FR3135520A1 — publié le 20231117

TITRE : BANC DE MESURES POUR LE DIAGNOSTIC DE MACHINES INDUSTRIELLES Banc (1) de mesures compact et transportable sous la forme d’une valise destiné au diagnostic de machines industrielles (2) et communicant selon des protocoles industriels avec lesdites machines industrielles, ledit banc comprenant des ports (30) de raccordements analogiques destinés à être reliés à des sources de signaux analogiques en provenance de ladite machine, un module (3) d’acquisition de signaux analogiques reçus sur les ports de raccordements analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques, des ports (31) de raccordements numériques destinés à être reliés à des sources de données numériques en provenance de ladite machine, un programme (5) d’ordinateur implémenté dans un ordinateur (6) industriel apte à recevoir et à traiter des données numériques issus du module (3) d’acquisition de signaux analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques et des ports (31) de raccordements numériques, une passerelle (7) reliée à l’ordinateur (6) industriel et à des ports (31) de raccordements numériques. Figure pour l’abrégé : Figure 1 BANC DE MESURES POUR LE DIAGNOSTIC DE MACHINES INDUSTRIELLES Désignation du domaine technique concerné par l’invention La présente invention est relative au domaine du diagnostic de machines industrielles, et plus particulièrement aux équipements portables permettant de vérifier l’état de fonctionnement de machines. Elle s’applique à tous types de machines industrielles, par exemple les machines-outils de fraisage et de tournage assistées par des commandes numériques, des laveurs et des évacuateurs de gaz toxiques pilotés par des variateurs, ou des ponts roulants et autres moyens de levage. L’invention est particulièrement adaptée au diagnostic de machines en opération dans un environnement difficile où du matériel robuste et résistant doit être utilisé. Problèmes techniques auxquels répond l’invention Le diagnostic d’une machine industrielle nécessite de mesurer des grandeurs physiques, comme par exemple une température, un courant électrique, des vibrations, une pression, un débit, une vitesse, ou encore une position, pour des phénomènes physiques dont la fréquence peut varier dans de grandes proportions, par exemple entre 1 Hz à 5 kHz. On peut combiner à ces mesures la surveillance de la commande numérique et/ou de l’automate de la machine en regardant en particulier des signaux digitaux et des signaux analogiques, par exemple en 4-20 mA et/ou 0-10 V. De façon connue, on utilise des appareils dédiés pour chaque type de mesures, par exemple un appareil pour les mesures de vibrations, un ordinateur équipé de logiciels pour traiter les entrées/sorties et dessiner des chronogrammes, ou des boucles de courants sur un collecteur pour des mesures d’intensités. Cela multiplie les dispositifs de mesures in situ nécessaires pour collecter l’ensemble des données nécessaire à un bon diagnostic d’une machine industrielle. La collecte de données à la bonne fréquence d’échantillonnage, la structuration des informations à un format adéquat pour leur exploitation, le stockage de ces mesures et leur visualisation est particulièrement complexe dès lors que le nombre de grandeurs physiques augmente et que les sources d’où proviennent ces informations grandissent. On multiplie les connectiques, les technologies de capteurs et donc des systèmes de mesures. L’invention apporte une solution nouvelle et optimisée à tous ces problèmes. Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un banc de mesures compact et transportable sous forme de valise, destiné au diagnostic de machines industrielles et communicant selon des protocoles industriels avec lesdites machines industrielles, ledit banc comprenant des ports de raccordements analogiques destinés à être reliés à des sources de signaux analogiques en provenance de ladite machine, un module d’acquisition de signaux analogiques reçus sur les ports de raccordements analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques, des ports de raccordements numériques destinés à être reliés à des sources de données numériques en provenance de ladite machine, un programme d’ordinateur implémenté dans un ordinateur industriel apte à recevoir, à stocker et à traiter des données numériques issus du module d’acquisition de signaux analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques et des ports de raccordements numériques, une passerelle reliée à l’ordinateur industriel et à des ports de raccordements numériques. Le banc de mesures selon l’invention constitue une combinaison ingénieuse de technologies dans un seul et même produit. Il permet de rassembler dans un unique appareil des dispositifs permettant de faire ce qui est fait avec plusieurs moyens d’acquisitions distincts selon l’état de la technique. Le banc de mesures selon l’invention permet ainsi de gagner de la place en rassemblant dans un espace restreint tous les appareils de collecte. De plus, les équipements du banc de mesures étant interconnectés, les difficultés rencontrées habituellement pour les raccordements de plusieurs moyens d’acquisition distincts sont supprimées. Les ports de raccordements analogiques du banc de mesures sont aptes à recevoir des signaux analogiques sous la forme 4-20 mA, et/ou 0-10 V et/ou en provenance d’un thermomètre à résistance de platine et/ou d’un capteur de vibrations selon la technologie IEPE. Le banc de mesures est ainsi apte à collecter les données fournies par tous les capteurs et équipements présents sur la machine à diagnostiquer ainsi que celles situées dans son environnement à prendre en compte pour une bonne compréhension des conditions de fonctionnement de la machine. La passerelle du banc de mesures est apte à recevoir, à stocker et à traiter simultanément des signaux numériques selon différents protocoles industriels et à communiquer avec la machine selon lesdits protocoles. Des échanges entre le banc de mesures et la machine à diagnostiquer se font selon le protocole OPC UA, et/ou OPC DA, et/ou SNAP 7, et/ou CANOpen, et/ou Modbus et/ou EtherCAT, et/ou ADS, et/ou TCP/IP, et/ou FOCAS. Les données numériques viennent enrichir les données analogiques captées par le banc de mesures permettant ainsi que toutes les données disponibles soient exploitées pour un diagnostic précis et complet de la machine. Le banc de mesures selon l’invention permet de collecter in situ des informations sur un ou plusieurs jours, plusieurs mois ou plusieurs années. Si besoin, la capacité d’enregistrement du moyen de stockage des données du banc de mesures, par exemple un disque dur, peut être étendue en stockant des informations sur le Cloud. Le banc de mesures peut ainsi être installé ponctuellement près de machines successives pour un diagnostic de celles-ci ou être installé à demeure afin de rester continuellement près d’une machine à surveiller. Le format compact du banc de mesures, sous la forme d’une valise, facilite son utilisation nomade de machine en machine ou sur plusieurs sites industriels. Le banc de mesures comprend une alimentation électrique pouvant être raccordée à un réseau électrique, une protection électrique par au moins un disjoncteur et une protection électronique comprenant au moins un ventilateur pour le refroidissement de composants du banc de mesures. Le banc de mesures peut ainsi être simplement raccordé à une prise de courant électrique pour être directement opérationnel. De plus, l’usage du protocole EtherCAT P permet de conduire l’alimentation et la communication entre le banc de mesures et la machine dans un seul câble, ce qui permet de réduire le besoin en câblage pour tester une machine. Le banc de mesures comprend un port pour son raccordement à un ordinateur. L’usage d’un ordinateur connecté au banc de mesures ajoute des fonctionnalités supplémentaires et facilite l’exploitation du banc de mesures par l’usage de logiciels embarqués dans l’ordinateur. Selon un second aspect de l’invention, il est proposé un système de diagnostic d’une machine industrielle comprenant un banc de mesures compact et transportable sous la forme d’une valise tel que décrit précédemment, celui-ci étant raccordé à un ordinateur, le système de diagnostic étant apte à être raccordé à ladite machine. Le système de diagnostic selon l’invention est simple et rapide de mise en œuvre, car l’ensemble des appareils nécessaires au diagnostic de la machine est préinstallé et câblé dans le banc de mesures en forme de valise. De plus, l’ordinateur et ses logiciels embarqués sont préconfigurés pour un fonctionnement avec le banc de mesures d’où un gain de temps pour le diagnostic de la machine. Ainsi, l’ordinateur comprend un programme d’ordinateur pour le paramétrage du banc de mesures, notamment du module d’acquisition de signaux analogiques, de l’ordinateur industriel et de la passerelle, ainsi qu’un programme d’ordinateur pour l’affichage sur l’écran de l’ordinateur d’informations illustrant le fonctionnement de la machine. Ces programmes d’ordinateur sont très faciles d’usage. Les difficultés habituellement rencontrées sur des systèmes selon l’état de la technique ont été anticipées et résolues. Ils permettent de faire des acquisitions simplement à partir d’une interface graphique dans laquelle l’opérateur n’a qu’à sélectionner des objets représentant les capteurs et les autres dispositifs délivrant des données d’entrées en provenance de la machine ou de son environnement. Il n’est ainsi pas nécessaire de faire la moindre programmation pour obtenir l’acquisition des données, le stockage et l’affichage de celles-ci. Le banc de mesures et les programmes d’ordinateur permettent ainsi à des non-spécialistes de se comporter comme des experts en collecte et traitement de données. Cela facilite l'exercice de leur métier. Avantageusement selon l’invention, le système de diagnostic comprend un capteur ajouté sur la machine et raccordé au banc de mesures. Pour un diagnostic complet de la machine, il peut en effet être nécessaire d’ajouter un ou plusieurs capteurs sur la machine pour disposer de données complémentaires, notamment si la machine est peu instrumentée. Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de diagnostic d’une machine industrielle en utilisant un système tel que décrit précédemment, le procédé comprenant une étape E1 de raccordement de capteurs analogiques présents sur la machine à des ports de raccordements analogiques du banc de mesures et de raccordement du système de commande de la machine au port de raccordement numérique du banc de mesures, une étape E2 de paramétrage de la passerelle en fonction de la nature des données numériques en provenance de la machine et de l’ordinateur industriel, une étape E3 de traitement des données reçues par la passerelle et de génération de données illustrant le fonctionnement de la machine, et une étape E4 d’affichage des d’informations illustrant le fonctionnement de la machine sur l’écran de l’ordinateur connecté au banc de mesures. La mise en œuvre du procédé selon l’invention permet ainsi de réaliser rapidement un diagnostic sur l’état d’une machine industrielle, en exploitant toutes les données disponibles en provenance de celle-ci. Selon l’invention, l’étape E2 de paramétrage de la passerelle est réalisée à partir du programme d’ordinateur pour le paramétrage de la passerelle présent sur l’ordinateur connecté au banc de mesures. De plus, l’étape E4 d’affichage d’informations illustrant le fonctionnement de la machine sur l’écran de l’ordinateur est réalisée à partir du programme d’ordinateur pour l’affichage sur l’écran d’informations illustrant le fonctionnement de la machine présent sur l’ordinateur connecté au banc de mesures. Réaliser le paramétrage du banc de mesures et l’affichage des informations à partir de programmes de l’ordinateur permet de bénéficier des possibilités offertes par des fonctionnalités supplémentaires liées aux logiciels ainsi qu’à la qualité et l’ergonomie des interfaces graphiques sur un écran d’ordinateur. Avantageusement selon l’invention, les informations illustrant le fonctionnement de la machine sont utilisées pour assurer un diagnostic de l’état de la machine. En effet, les informations illustrant le fonctionnement de la machine, générées par le système de diagnostic selon l’invention peuvent être facilement comparées à celles attendues pour un fonctionnement normal de la machine. Ainsi, un écart entre ces valeurs pourrait être révélateur d’un dysfonctionnement de la machine ou d’une dérive du fonctionnement de la machine. À partir de ces informations, des actions pourront être engagées pour assurer la maintenance de la machine ou un recalibrage de celle-ci. Avantageusement, les informations illustrant le fonctionnement de la machine sont utilisées pour assurer une maintenance prédictive de la machine. À cet effet, le banc de mesures selon l’invention est capable de collecter un ensemble d’informations, de les traiter, de les visualiser et/ou de les mettre à disposition dans le but de bâtir un modèle de maintenance prédictive. Réaliser une maintenance prédictive est avantageux, car on limite ainsi les arrêts de production de la machine qui résulteraient de pannes impromptues. Le banc de mesure selon l’invention est apte à être utilisé dans un milieu où il est préférable de n’utiliser que du matériel durci pour résister à un environnement hostile aux appareils fragiles. Ainsi le banc de mesures est adapté au fonctionnement dans un milieu où le matériel doit résister à la poussière, aux bruits, aux vibrations, et à des températures élevées, par exemple pouvant atteindre 150°C. Toutefois, le banc de mesures selon l’invention est aussi bien utilisable dans un environnement standard, non hostile aux appareils fragiles, par exemple un laboratoire de recherches et développements. Il peut également être embarqué sur un véhicule terrestre, aéronautique, marin ou sous-marin. Du fait de leurs natures et de leurs caractéristiques, le banc de mesures et le système de diagnostic selon l’invention sont adaptés à tout type de systèmes et machines industriels. Brève description de la figure D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel : est une vue schématique et partielle d’un système de diagnostic raccordé à une machine selon un exemple de réalisation de l’invention. En se reportant à la , on peut voir un système 16 de diagnostic, comprenant un banc 1 de mesures et un ordinateur portable 18 branché à un port 17 du banc de mesures, raccordé à une machine 2 industrielle. La machine comprend un ensemble de capteurs 8 présents à demeure. Ces capteurs permettent par exemple de mesurer une température, une pression ou encore une vibration. Un capteur 9 supplémentaire a été ajouté à la machine pour son diagnostic. Il délivre une information complémentaire non nécessaire au fonctionnement de la machine, mais utile à son diagnostic. L’ensemble de ces capteurs est raccordé à des ports 30 de raccordements analogiques du banc de mesures. La machine comprend une commande numérique 4 pour son pilotage. Cette commande numérique est raccordée à un port 31 de raccordement numérique du banc de mesures. D’autres ports 31 de raccordements numériques de la machine au banc de mesures, ou de raccordement d’équipements situés dans son environnement dont des informations sont utiles pour le diagnostic de la machine, sont également disponibles, par exemple pour des raccordements au format IO-Link. Le banc de mesures comprend un module 3 d’acquisition de signaux analogiques reçus sur les ports 30 de raccordements analogiques, par exemple au format IEPE, PT100, 0-10 V ou 4-20 mA, et de conversion de ceux-ci en signaux numériques. Le banc de mesures comprend également une passerelle 7 (gateway en anglais) cumulant plusieurs fonctions : . l’acquisition de données numériques reçues sur des ports 31 de raccordements numériques, quel que soit le protocole industriel (OPC UA, OPC DA, SNAP 7, CANOpen, Modbus, etc.), . le stockage de données, . la visualisation des résultats via l’ordinateur portable 18 raccordé au banc de mesures. Le banc de mesures comprend également un ordinateur 6 industriel raccordé au module 3 d’acquisition de signaux analogiques et à des ports 31 de raccordements numériques. L’ordinateur industriel est relié à la passerelle 7 par un protocole Ethercat, ADS, ou TCP/IP. Sur l’ordinateur 6 industriel s’exécute un programme 5 d’ordinateur pour l’acquisition de données en provenance du module 3 d’acquisition de signaux analogiques, des ports 31 de raccordements numériques et de la passerelle 7. Le banc de mesures combine ainsi plusieurs protocoles de communication normalement utilisés séparément, mais qu’on a choisi de faire fonctionner ensemble pour faciliter la collecte des données. On collecte ainsi des données sur des réseaux utilisant des protocoles industriels sans ajouter d’appareil autre que ceux qui sont déjà existants sur la machine. C’est la passerelle 7 qui communique avec les différents appareils présents sur la machine ou dans son environnement (commande numérique, automate, ordinateur industriel, variateurs électriques, etc.), ceux-ci disposant d’une carte de communication utilisant un protocole industriel connu et supporté sur la passerelle. De plus, le banc de mesures permet de collecter des données de toute nature, par exemple depuis des capteurs de vibrations utilisant la technologie IEPE, des capteurs de températures PT 100, tous les capteurs dits « 4-20mA », des capteurs compatibles avec le protocole IO-Link, etc. On connecte ces capteurs directement en façade du banc de mesures au niveau des ports d’entrées 30 et 31. Ensuite, avec la passerelle 7 et l’ordinateur 6 industriel, on stocke et on affiche les données collectées depuis les deux types de sources (analogiques et numériques) sur l’écran 21 de l’ordinateur portable 18, en consolidant ces données. Avantageusement, on utilise les protocoles EtherCAT, ADS et/ou TCP/IP pour la communication des informations entre la machine 2, la passerelle 7, l’ordinateur industriel 6 et l’ordinateur portable 18. L’ordinateur 6 industriel est par exemple un ordinateur de marque Beckhoff sur lequel s’exécute un système d’exploitation Windows 10, l’ordinateur étant doté d’un processeur INTEL et d’une carte de communication en « Ethernet temps réel » qui permet de se synchroniser de façon très précise avec une horloge et d’avoir des tics périodiques. Il comprend des moyens de stockage des données, par exemple un disque dur, avec l’utilisation du programme InfluxDB. Des moyens de stockage complémentaires peuvent être déportés (cloud). Pour l’affichage des résultats sur l’écran 21 de l’ordinateur portable, on utilise dans cet exemple de réalisation le programme 20 Grafana. Outre le programme 20 d’affichage, l’ordinateur portable 18 comprend également un programme 19 de paramétrage du banc de mesures. Avec un banc de mesures selon l’invention, on est capable de collecter tout type de données sans se préoccuper de manquer des informations grâce à un très grand nombre de points de mesures possibles, par exemple 65 536, et une fréquence d’échantillonnage maximale variant de 25 kHz à 100 kHz par voie, en fonction des capteurs raccordés aux ports 30 et 31. Pour ce qui concerne la connexion aux protocoles industriels, le dispositif est seulement limité par la bande passante du réseau reliant la machine au banc de mesures et le banc de mesures à l’ordinateur portable. Le banc de mesures comprend un port 11 de raccordement à une alimentation électrique 11, une protection électrique 12, comprenant un disjoncteur 13, et une protection électronique 14 comprenant un ventilateur 15 de refroidissement. Il suffit ainsi de raccorder le banc de mesures à une prise d’alimentation de courant pour qu’il soit opérationnel. De préférence, le banc de mesures est placé à moins de 100 mètres de la machine. On utilise des câbles blindés et on communique les informations en filaire plutôt qu’en utilisant un protocole sans fil. Pour ma mise en œuvre du procédé selon l’invention, on procède au raccordement de capteurs 8, 9 analogiques présents à demeure sur la machine ou ajoutés spécifiquement pour son diagnostic à des ports 30 de raccordements analogiques du banc de mesures. On procède également au raccordement du système 4 de commande de la machine au port 31 de raccordement numérique du banc de mesures. On connecte ensuite l’ordinateur 18 portable au port 17 du banc de mesure et on met l’ensemble sous tension. On procède ensuite à une étape de paramétrage de l’ordinateur 6 industriel selon la nature des données qu’il doit recevoir en provenance des ports 30 et 31. On procède ensuite au paramétrage de la passerelle 7 en fonction de la nature des données numériques en provenance de la machine reçues directement par la passerelle à partir de ports 31 et celles provenant de l’ordinateur 6 industriel. Ce paramétrage est réalisé à partir du programme 19 d’ordinateur présent sur l’ordinateur portable. On procède ensuite à une étape d’acquisition de données en provenance de la machine à tester. Ces données sont ensuite traitées pour générer des données illustrant le fonctionnement de la machine. Elles sont ensuite affichées sur l’écran de l’ordinateur portable. Banc (1) de mesures compact et transportable sous la forme d’une valise, destiné au diagnostic de machines industrielles (2) et communicant selon des protocoles industriels avec lesdites machines industrielles, ledit banc comprenant des ports (30) de raccordements analogiques destinés à être reliés à des sources de signaux analogiques en provenance de ladite machine, un module (3) d’acquisition de signaux analogiques reçus sur les ports de raccordements analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques, des ports (31) de raccordements numériques destinés à être reliés à des sources de données numériques en provenance de ladite machine, un programme (5) d’ordinateur implémenté dans un ordinateur (6) industriel apte à recevoir et à traiter des données numériques issues du module (3) d’acquisition de signaux analogiques et de conversion de ceux-ci en données numériques et des ports (31) de raccordements numériques, une passerelle (7) reliée à l’ordinateur (6) industriel et à des ports (31) de raccordements numériques. Banc de mesures selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ports (30) de raccordements analogiques sont aptes à recevoir des signaux analogiques sous la forme 4-20mA, et/ou 0-10V et/ou en provenance d’un thermomètre à résistance de platine et/ou d’un capteur de vibrations selon la technologie IEPE. Banc de mesures selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la passerelle (7) est apte à recevoir, à stocker et à traiter simultanément des signaux numériques selon différents protocoles industriels et à communiquer avec la machine (2) selon lesdits protocoles. Banc de mesures selon la revendication 3, caractérisé en ce que des échanges entre le banc de mesures et la machine (2) se font selon le protocole OPC UA, et/ou OPC DA, et/ou SNAP 7, et/ou CANOpen, et/ou Modbus et/ou EtherCAT, et/ou ADS, et/ou TCP/IP, et/ou FOCAS. Système (16) de diagnostic d’une machine (2) industrielle comprenant un banc de mesures selon l’une des revendications précédentes, compact et transportable sous la forme d’une valise (1) raccordé à un ordinateur (18), le système de diagnostic étant apte à être raccordé à ladite machine. Système (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’ordinateur (18) comprend un programme (19) d’ordinateur pour le paramétrage du module (7) de traitement numérique et un programme (20) d’ordinateur pour l’affichage sur l’écran (21) d’informations illustrant le fonctionnement de la machine. Système (16) selon l’une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un capteur (9) ajouté sur la machine et raccordé au banc de mesures. Procédé de diagnostic d’une machine (2) industrielle en utilisant un système (16) selon l’une des revendications de système, comprenant une étape (E1) de raccordement de capteurs (8, 9) analogiques présents sur la machine à des ports (30) de raccordements analogiques du banc de mesures et de raccordement du système (4) de commande de la machine au port (31) de raccordement numérique du banc de mesures, une étape (E2) de paramétrage de la passerelle (7) en fonction de la nature des données numériques en provenance de la machine et de l’ordinateur (6) industriel, une étape (E3) de traitement des données reçues par la passerelle (7) et de génération de données illustrant le fonctionnement de la machine, et une étape (E4) d’affichage des d’informations illustrant le fonctionnement de la machine sur l’écran (21) de l’ordinateur (18) connecté au banc de mesures. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape (E2) de paramétrage de la passerelle (7) est réalisée à partir du programme (19) d’ordinateur pour le paramétrage de la passerelle présent sur l’ordinateur (18) connecté au banc de mesures. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’étape (E4) d’affichage des d’informations illustrant le fonctionnement de la machine sur l’écran (21) est réalisée à partir du programme (20) d’ordinateur pour l’affichage sur l’écran (21) d’informations illustrant le fonctionnement de la machine présent sur l’ordinateur (18) connecté au banc de mesures. Procédé selon l’une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que les informations illustrant le fonctionnement de la machine sont utilisées pour assurer un diagnostic de l’état de la machine. Procédé selon l’une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les informations illustrant le fonctionnement de la machine sont utilisées pour assurer une maintenance prédictive de la machine.