[PDF] Réduction de la Consommation Electrique du Contrôle-Commande

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N° d"ordre : 4145

sous le sceau de l"Université Européenne de Bretagne p our le grade de Mention : Traitement du Signal et Télécommunications présentée par préparée à l"IETR UMR 6164 I nstitut d"Electronique et des Télécommunications de Rennes UFR Structure et Propriétés de la Matière devant le jury composé de : Professeur des Universités, CReSTIC, Université de R eims Champagne Ardenne /rapporteur Professeur des Universités, SupMéca / rapporteur Professeur des Universités, Lab-STICC, Université d e Bretagne Sud / examinateur Professeur des Universités, IETR, Université de R ennes 1 / président Professeur, IETR, Supélec / directeur de thèse Professeur, E3S, Supélec / co-directeur de thèse 1

Cette thèse présente une analyse de la consommation d"énergie des systèmes de contrôle-

commande électriques des machines automatisées en vue de réduire leur consommation d"énergie.

Il est notamment présenté les notions associées aux systèmes de contrôle-commande et il est

développé des méthodes et un simulateur de consommation d"énergie destiné à l"analyse de la

consommation d"énergie.

A partir de ce modèle, il est proposé une analyse selon 3 axes : consommation des composants de

contrôle-commande pris individuellement, consommation des systèmes de contrôle-commande selon

le type de machine et l"assemblage des composants et enfin, consommation dans le temps selon les modes de marche. Ces travaux proposent ainsi une méthodologie d"analyse des consommations et permettent de mettre

en évidence que la consommation des systèmes de contrôle-commande est souvent faible comparée

à celle des actionneurs, mais qu"il est tout de même possible de réduire d"un facteur 2 la

consommation d"énergie. This thesis presents an analysis of energy consumption of control systems of automated machines. The main objective is to reduce energy consumption of control part. In this document, we present notions related with control systems and we develop methods and an energy consumption simulator which is an analysis tool of energy consumption. Thus, we make an analysis according 3 axes: energy consumption of each control part, consumption

of control systems according to choice of components and consumption according to operating

modes.

So this work proposes an energy consumption methodology and makes it possible to show that

energy consumption of control systems is often low with respect to energy consumed by actuators. However, it is possible to reduce by 2 energy consumption of control. Systèmes automatisés, Commande automatique, Systèmes de commande automatique, Appareils et matériel de commande automatique, Consommation d"énergie, Modélisation

Automates programmables industriels, Contacteurs électriques, Relais électriques, Capteurs,

Alimentation électrique, Interfaces homme-machine, Alimentation en énergie, Appareils de mesure

électriques, Techniques de simulation

2 Cette page a été intentionnellement laissée vide

3 Sommaire

I.1 Définition des systèmes automatisés 11 I.2 Structuration des systèmes automatisés 11 II.1 Systèmes de distribution de l"énergie 12

II.2 Préactionneurs 13

II.3 Actionneurs 17

II.4 Transmetteurs 18

II.5 Effecteurs 18

II.6 Capteurs 18

III.1 Modules d"entrées / sorties 22

III.2 Modules processeurs 24

III.3 Relais d"automatisme 24

III.4 Modules de communication 25

III.5 Interfaces Homme-Machine 25

III.6 Composants pour distribuer l"énergie à la PC 26

III.7 Modules spéciaux 27

V.1 Définition du contrôle-commande 28 V.2 Architectures de contrôle-commande 29 V.3 Présentation détaillée de quelques architectures 30 V.4 Exemples de systèmes de contrôle-commande 32 VI.1 Modes de marche et d"arrêt 41 VI.2 Systèmes automatisés et modes de marche énergétiques 42 VII.1 Synthèse des différentes définitions 42 VII.2 Méthodologie pour l"analyse énergétique 44 I.1 Décomposition de la consommation dans l"espace 46 I.2 Décomposition de la consommation dans le temps 51 4 II.1 Grandeurs associées à des régimes dynamiques 54

II.2 Grandeurs simplifiées 55

III.1 Données catalogue 58

III.2 Mesures expérimentales 62

III.3 Logiciels de simulation 65

III.4 Critique de ces 3 sources d"information 66

IV.1 Graphes de liaisons 67

IV.2 Outil d"évaluation de la consommation énergétique 73 V.1 Définition des objectifs 82 V.2 Instrumentation et mesures expérimentales 83 V.3 Exploitation des résultats 83

V.4 Conclusion 84

II.1 Sélection de composants 86 II.2 Définition d"indicateurs 86

III.1 Préactionneurs 91

III.2 Capteurs 102

III.3 Interfaces Homme - machine 108

III.4 Modules d"entrées 115

III.5 Modules de sorties 120

III.6 Modules processeurs 124

III.7 Modules de communication 127

III.8 Relais d"automatisme 131

III.9 Alimentation de contrôle-commande 135

III.10 Modules spéciaux 143

IV.1 Consommation d"énergie et coût de cette consommation 145 IV.2 Analyse de la consommation des composants 146 IV.3 Limites de cette analyse 146 II.1 Définition d"indicateurs 152 II.2 Machines automatisées 154 5 III.1 Machine simple en logique câblée 155 III.2 Machine complexe en logique câblée 157 III.3 Machine complexe en logique programmée avec architecture centralisée 159 III.4 Machine complexe en logique programmée avec entrées / sorties distribuées 162 III.5 Machine complexe en logique programmée avec E/S, modules processeurs et alimentations distribuées 164 III.6 Synthèse sur les différentes machines étudiées 166 IV.1 Machine automatisée de référence 170 IV.2 Impact de l"architecture des modules processeurs 173 IV.3 Impact de l"architecture des modules d"entrées / sorties 178 IV.4 Impact de l"architecture des alimentations 230VAC / 24VDC 186 IV.5 Conclusion sur les architectures 195 V.1 Choix des contacteurs électromécaniques 196 V.2 Choix du type de réseau de communication 199 V.3 Conclusion sur le choix des composants 202 VI.1 Réglage de la tension de sortie des alimentations 202 VI.2 Réglage du rétroéclairage des écrans 205 VI.3 Conclusion sur le réglage des composants 207

VII.1 Types de machines 208

VII.2 Architecture de contrôle-commande 208 VII.3 Choix des composants de contrôle-commande 209 VII.4 Réglage des composants de contrôle-commande 209

VII.5 Synthèse 210

II.1 Définition des modes de marche énergétiques 214 II.2 Définition d"indicateurs 215 II.3 Machines automatisées étudiées 217 III.1 Machine simple en logique câblée 217 III.2 Machine complexe en logique câblée 219 III.3 Machine complexe en logique programmée avec architecture centralisée 221 III.4 Machine complexe en logique programmée avec entrées / sorties distribuées 224 III.5 Machine complexe en logique programmée avec E/S, modules processeurs et alimentations distribuées 226 III.6 Synthèse de la consommation des 5 machines 228 IV.1 Difficultés liées aux mises hors et sous tension 236 IV.2 Modes de marche basse consommation 244 6

V.1 Machines 256

V.2 Modes de marche basse consommation 257

V.3 Synthèse 258

I.1 Description fonctionnelle 291

I.2 Description mécanique 292

I.3 Fonctionnement 293

I.4 Description du système de contrôle-commande 294 II.1 Description fonctionnelle 297 II.2 Description mécanique 298

II.3 Fonctionnement 299

II.4 Description du système de contrôle-commande 301 III.1 Description fonctionnelle 307 III.2 Description mécanique 308

III.3 Fonctionnement 310

III.4 Description du système de contrôle-commande 313 IV.1 Description fonctionnelle 327 IV.2 Description mécanique 327

IV.3 Fonctionnement 328

IV.4 Description de la partie électrique de l"îlot 329 IV.5 Description du système de contrôle-commande 330 V.1 Description fonctionnelle 331

V.2 Description mécanique 331

V.3 Fonctionnement 334

V.4 Description d"un convoyeur transfert 335 V.5 Description d"un convoyeur positionneur 344 V.6 Description des armoires d"arrêt d"urgence et d"IHM de chaque épi 354 V.7 Description des armoires automate de chaque épi 357 VI.1 Protocole expérimental et intrumentation 361

VI.2 Série de mesures 361

7

Ce document présente une analyse de la consommation d"énergie des systèmes de contrôle-

commande électriques des machines automatisées en vue de réduire leur consommation d"énergie.

Cette étude est motivée par un contexte où le coût de l"énergie est en augmentation, où les

entreprises sont de plus en plus impliquées dans la réduction de leur impact sur l"environnement et

soucieuses de maintenir leur compétitivité.

D"une manière générale, la réduction de la consommation d"énergie est motivée par plusieurs

raisons : faire face à l"augmentation de la consommation mondiale d"énergie qui risque à plus ou

moins long terme de générer des tensions et d"entrainer le coût des matières premières à la hausse,

protéger l"environnement dans un contexte de réchauffement climatique, améliorer la compétitivité des

entreprises en réduisant les dépenses énergétiques et respecter les réglementations en matière de

performance énergétique. a) Augmentation de la consommation d"énergie mondiale

Depuis la révolution industrielle aux 18

ième et 19ième siècles et l"augmentation constante de la population mondiale, la consommation d"énergie ne cesse d"augmenter. Selon l"Energy Information

Administration (EIA), la consommation mondiale d"énergie a été multipliée par 1,7 entre 1980 et 2006

(cf. figure i.1). Parallèlement, l"EIA prévoit que la consommation mondiale soit multipliée par 1,5 d"ici

2030 [EIA, 2009].

Figure i.1 : Historique et prévisions de la consommation mondiale d"énergie ; sources : historique :

EIA : International Energy Annual 2006 (June-December 2008); prévision : EIA, World

Energy Projections Plus (2009)

Aussi, d"après l"EIA, en 50 ans, la consommation mondiale d"énergie va être plus que doublée, ce qui

montre l"absolue nécessité de réaliser des économies d"énergie. En effet, cette augmentation de la

consommation risque d"entraîner une raréfaction des matières premières ce qui pourrait avoir un

impact sur notre mode de vie [Mul, 2005] et risque de perturber le climat. b) Faire face à l"augmentation du coût des matières premières

Dans le rapport Annual Energy Outlook 2010 [EIA, 2010], il est présenté l"historique du cours du baril

de pétrole entre 1980 et 2009 ainsi que les prévisions d"ici 2035 avec 3 scénarios (cf. figure i.2) :

- dans le scénario " Reference », le prix du baril pourrait pratiquement être doublé (à 133 $)

d"ici 2030 avec des conséquences négatives pour la productivité des entreprises,

- dans le scénario " High Worl Oil » Price, l"EIA prédit que le prix du baril pourrait attendre les

210$ en 2035,

- seul dans le scénario " Low Word Oil Price », le cours du pétrole pourrait se stabiliser à 51$.

8 F igure i.2 : Historique et prévision sur le cours du baril de pétrole (source EIA)

L"augmentation probable du coût de l"énergie (cf. figure i.2 : scénarios " Reference » et scénario

" High World Oil Price ») risque de nuire à la compétitivité des entreprises.

Aussi, pour maintenir la compétitivité des entreprises, il va être nécessaire de développer des

solutions technologiques pour améliorer l"efficacité énergétique [Bre, 1990], [Raj, 2006], [Mul, 2005].

c) Protéger l"environnement

D"après l"état des connaissances scientifiques actuelles, il semblerait que les émissions de CO2

rejetées par les activités humaines soient principalement responsables du réchauffement

climatique [Mul, 2005], [Sol et al, 2007] Dans le rapport European Climate Change Policy Beyond 2012 [Wec, 2009], il est montré un lien direct entre la concentration de COquotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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