Dans les lignes de production modernes, la multitude de capteurs, d’actionneurs et de modules PLC nécessite des alimentations électriques compactes et très efficaces. Dans cet article, vous en saurez plus sur la tendance à l’automatisation des usines intelligentes qui consiste à alimenter les modules de traitement distribués avec de petits régulateurs de tension au point de charge (POL).
La vision de l’usine intelligente est une réalité dans de nombreux secteurs, grâce aux progrès de l’automatisation et de l’échange de données dans les technologies de fabrication. Les sols des usines sont remplis de contrôleurs, de capteurs, d’E/S et d’actionneurs. Un contrôleur peut être un contrôleur logique programmable (PLC, Figure 1), un contrôleur de moteur/mouvement ou un système de contrôle distribué (DCS) utilisant des processeurs et microcontrôleurs avancés. Les capteurs peuvent être numériques ou analogiques et utilisés pour la proximité, la vision, le poids ou la température. Les actionneurs peuvent être des robots, des vannes, des moteurs, des commandes numériques informatisées (CNC), des contacteurs et d’autres mécanismes mobiles. Les entrées et les sorties (E/S) peuvent être numériques ou analogiques, voire universelles, et relient les capteurs et les actionneurs aux contrôleurs.
Figure 1. Module de contrôleur logique programmable.
Figure 2 montre un PLC ou un ordinateur industriel qui surveille et contrôle un seul processus de fabrication. Il comprend un processeur, des modules d’E/S, une mémoire/programmation et une alimentation électrique. Le bus de terrain de 24 V est ramené à 5 V par le convertisseur flyback, une architecture basée sur un transformateur qui isole le module PLC de l’environnement électrique industriel difficile. La sortie du flyback est convertie au rail de tension PLC nécessaire par le régulateur de tension POL. Les PLC et autres systèmes de contrôle sont orchestrés par des logiciels tels que SCADA (supervisory control and data acquisition), qui surveillent et contrôlent de multiples interfaces et périphériques.
Figure 2. Module de contrôleur logique programmable.
Le PLC reçoit des entrées de capteurs situés dans l’usine, les traite localement et commande les actionneurs appropriés. Les capteurs, les E/S et les actionneurs d’aujourd’hui sont équipés de processeurs internes qui prennent des décisions simples au niveau local sans avoir besoin de passer par le contrôleur, ce qui améliore le débit. À moins que plusieurs dispositifs ne doivent être pris en compte, le PLC n’est même pas impliqué. En mettant en réseau les données générées par tous les équipements vers le Cloud, les analyses peuvent être exécutées en temps réel en utilisant les progrès de l’IA pour déterminer les mesures à prendre.
Défi à relever
La multiplication des processeurs et des interfaces de connectivité dans tous les contrôleurs, capteurs, E/S et actionneurs de l’usine impose de nouvelles exigences au matériel du système : réduction de la taille des composants pour intégrer des composants électroniques supplémentaires dans le même châssis, amélioration de l’efficacité énergétique pour respecter un budget thermique identique ou inférieur et augmentation de la sécurité et de la fiabilité électriques et mécaniques pour réduire les temps d’arrêt.
Une approche modulaire du régulateur de tension alimentant l’automate programmable, où l’inducteur est monté verticalement au-dessus du circuit intégré, réduit la nomenclature de la solution, l’encombrement et améliore la fiabilité et le délai de mise sur le marché. Le POL du module régulateur de tension doit également être efficace pour réduire la production de chaleur, ce qui améliore encore la fiabilité du système.
Dans cette solution de conception, nous passons en revue une approche typique de module pour alimenter le PLC et présentons une nouvelle solution qui est rentable et supérieure en efficacité et en taille.
Module POL typique
Le schéma de circuit imprimé d’un module de régulateur de commutation synchrone typique 5VIN, 1A est illustré dans la Figure 3. Le confinement de l’inducteur permet de réduire l’empreinte au sol de 16,6 mm2.
Figure 3. Surface nette typique d’une solution de 16,6 mm2 pour un module de régulateur de commutation.
Module POL uSLIC
Le module uSLICTM dans la Figure 4 prend en charge un courant de charge allant jusqu’à 1A et permet l’utilisation de petits condensateurs d’entrée et de sortie à faible coût. La taille réduite du module (2,6 mm x 2,1 mm2 contre 2,6 x 3 mm2) et la réduction de la nomenclature (5 composants contre 4 et dans une taille plus petite) se traduisent par une solution rentable et une surface nette d’empreinte de 11,8 mm2, soit 29 % de moins que la solution type.
Figure 4. Surface nette de la solution améliorée 11,8 mm2 en utilisant un module uSLIC POL.
La tension de sortie peut être ajustée de 0,8 V à 3,3 V. Le module réduit considérablement la complexité de la conception, les risques de fabrication et offre une véritable solution d’alimentation plug-and-play, réduisant ainsi le délai global de mise sur le marché.
L’avantage de l’efficacité
La figure 5 compare l’efficacité des deux solutions. La solution générique (courbe rouge) est mal équipée à faible charge, où le rendement chute de façon spectaculaire, et à pleine charge, elle n’atteint pas les 3 %.
Le module uSLIC présente un rendement élevé sur toute la plage de fonctionnement (courbe verte), ce qui le rend idéal pour les applications alimentées par le réseau électrique ou par des batteries à faible consommation d’énergie.
Figure 5. Comparaison de l’efficacité du module uSLIC et de la concurrence.
Conclusion
L’usine intelligente repose sur une pléthore de capteurs et d’actionneurs placés dans l’usine. Les informations sont traitées par des modules PLC alimentés par des régulateurs de tension POL. Une approche modulaire du POL réduit la nomenclature du système et améliore la fiabilité et le délai de mise sur le marché. Dans cette solution de conception, nous avons examiné un PPS typique et l’avons comparé à une nouvelle approche qui permet d’obtenir un module plus petit, plus efficace et plus rentable.