Yaskawa : FPGA Intel® dans les contrôleurs de robots

Yaskawa met en œuvre les FPGA Intel® dans ses contrôleurs de robot hautes performances pour la servocommande et la sécurité fonctionnelle.

En bref :

  • Yaskawa Electric Corporation est l'un des plus grands fabricants de robots industriels.

  • Yaskawa Electric Corporation a adopté plusieurs FPGA Intel® pour son contrôleur de robot YRC1000 afin d'obtenir de meilleures performances et une plus grande précision. Il utilise le pack de données de sécurité fonctionnelle d'Intel pour simplifier et accélérer la certification de sécurité du contrôleur.

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La pénurie de main-d'œuvre est l'un des facteurs qui expliquent l'essor des robots industriels

L'industrie de la robotique connaît une forte croissance dans le secteur des machines industrielles. Compte tenu du coût de plus en plus élevé d'une main-d'œuvre en déficit (découlant d'une pénurie d'effectifs et du vieillissement de la population dans plusieurs pays), l'automatisation et la création de processus plus efficaces sont des enjeux plus importants que jamais. Par conséquent, l'emploi de robots multi-axiaux capables d'effectuer diverses tâches opérationnelles et de transport se développe rapidement dans l'industrie manufacturière et d'autres secteurs. Outre les robots conventionnels qui œuvrent derrière une enceinte de sécurité, l'utilisation de robots collaboratifs et de véhicules à guidage automatique (AGV) capables de travailler aux côtés des employés est également en hausse.

Tandis que le contrôle des robots reposait autrefois sur des intégrations à grande échelle (LSI) personnalisées, la hausse des coûts de développement au fil de la miniaturisation des processus de semi-conducteurs entraîne des délais de développement qui se mesurent en années. Les mesures de sécurité sont également un critère essentiel pour les robots. Par exemple, des barrières immatérielles ou d'autres capteurs de ce type sont nécessaires pour désactiver les robots dès qu'une intrusion humaine est détectée dans l'enceinte de sécurité. Dans certaines régions, les fabricants de robots sont donc tenus d'obtenir une certification attestant que leurs produits sont conformes aux normes en vigueur.1

C'est l'une des raisons pour lesquelles les FPGA Intel® capables de répliquer la logique remplacent de plus en plus les ASIC dans les robots. Les FPGA d'Intel se caractérisent par une grande fiabilité et sont déjà largement utilisés dans divers types de machines industrielles. Intel a également été parmi les premiers dans l'industrie des FPGA à satisfaire aux normes de sécurité fonctionnelle et à la certification associée. Cette étude de cas décrit l'utilisation des FPGA d'Intel dans les contrôleurs de robots par Yaskawa Electric.

Le contrôleur de robot YRC1000 de Yaskawa Electric combine un format compact avec des commandes rapides et précises

Yaskawa Electric est l'un des plus grands fabricants de robots industriels. Les robots verticaux articulés à 6 axes de la société sont commercialisés dans le monde entier sous la marque Motoman pour un large éventail d'utilisations. Il s'agit notamment du soudage à l'arc, du soudage par points, de la peinture, de la manutention et de l'assemblage, des applications biomédicales, de la palettisation, de la manutention de pièces de presse, du cisaillement, de la découpe, de la découpe laser, de l'ébavurage, du polissage, du revêtement et du transport de plaquettes de semi-conducteurs et de panneaux de verre pour les écrans LCD ou les cellules photovoltaïques. Ces dernières années, l'entreprise s'est également concentrée sur les robots collaboratifs (cobots), capables de travailler aux côtés de la main d'œuvre sur la chaîne de production.

Outre le manipulateur, un bras doté de plusieurs axes de mouvement, les robots industriels doivent également comporter un boîtier de programmation qui permet d'enseigner des mouvements au robot, ainsi qu'un contrôleur qui reproduit les mouvements de chaque axe selon les instructions du boîtier.

Le contrôleur de robot haute performance YRC1000 a permis d'améliorer le contrôle de l'accélération, remplaçant ainsi l'ancien mécanisme de contrôle de la vitesse, ce qui signifie que le contrôleur peut utiliser le manipulateur à la vitesse maximale. De même, une nouvelle technique de contrôle de la trajectoire au niveau de l'extrémité du bras garantit que la même trajectoire est reproduite fidèlement quelle que soit la vitesse, y compris pendant les tests et en mode lecture. Le YRC1000 est également le plus petit contrôleur de robot de Yaskawa Electric pour sa catégorie, avec un volume 50 % inférieur au modèle DX200 (le modèle précédent). Il est également compatible avec les différentes normes d'alimentation électrique en vigueur dans divers pays (Figure 1).

Figure 1. Caractéristiques du contrôleur de robot YRC1000 de Yaskawa Electric.2

Plusieurs FPGA Intel sont sélectionnés pour la mise en œuvre de la commande du robot, de la servocommande et de la sécurité fonctionnelle

En quête de meilleures performances et d'une plus grande précision, Yaskawa Electric a choisi d'adopter un certain nombre de FPGA Intel pour des applications telles que la commande de robots, la servocommande et la sécurité fonctionnelle (Figure 2).

Figure 2. Plusieurs FPGA utilisés dans le contrôleur de robot Yaskawa Electric YRC1000.

Pour Yaskawa Electric, les principaux avantages de l'utilisation des FPGA d'Intel sont les suivants (Figure 3) :

Figure 3. Avantages de l'utilisation des FPGA d'Intel®.

(1) Performances accrues de la servocommande et consommation d'énergie réduite : le déplacement du manipulateur multi-axes implique de calculer les valeurs de commande nécessaires pour obtenir les mouvements souhaités, puis de les transmettre aux différents moteurs. Cela inclut des fonctions trigonométriques complexes et d'autres calculs basés sur les positions et les angles actuels déterminés par les encodeurs pour chaque axe.

Plutôt que de faire appel à un logiciel fonctionnant sur un microprocesseur, la précision et la vitesse sont plus facilement atteintes en exécutant ce calcul cinématique sur le matériel. En d'autres termes, il s'agit d'une application idéale pour les FPGA d'Intel, qui sont équipés d'un traitement du signal numérique embarqué pour exécuter l'arithmétique à grande vitesse en virgule flottante 32 bits double précision sur le matériel et pour offrir des performances déterministes.

Les FPGA d'Intel offrent également une grande gamme d'IP matérielles, notamment PCI Express, facilitant ainsi la miniaturisation des circuits et la réduction de la consommation d'énergie en permettant l'intégration de la logique périphérique tout en assurant une connectivité de bus fiable.

Cette plus faible consommation d'énergie permet de réaliser des boîtiers sans ventilateur, éliminant ainsi le besoin de pièces mécaniques sujettes à l'usure et évitant l'aspiration de la poussière.

(2) La plupart des systèmes liés à la sécurité exigés par la norme CEI 61508 et d'autres normes de sécurité fonctionnelle peuvent être regroupés dans les FPGA d'Intel. En outre, l'utilisation de plusieurs appareils leur permet de se surveiller mutuellement. Parallèlement, les performances déterministes rendues possibles par la mise en œuvre matérielle, comme indiqué ci-dessus, sont idéales pour les applications de surveillance de la sécurité où les retards ne sont pas acceptables.

Intel a également fourni son pack de données de sécurité fonctionnelle certifié CEI 61508 (certifié TÜV Rheinland), afin d'aider Yaskawa Electric à réduire la quantité de travail nécessaire à la certification de sécurité fonctionnelle du contrôleur.

(3) Réduction des coûts : la miniaturisation et la rationalisation des processus des semi-conducteurs réduisent le coût total du système, non seulement en rendant les FPGA eux-mêmes plus compétitifs en termes de coûts, mais aussi par d'autres considérations telles que l'intégration de la logique périphérique, la réduction de la taille des circuits et la réduction des délais de développement rendue possible par la flexibilité de la configuration logique sur les FPGA.

(4) Longue disponibilité du produit : les considérations relatives à la maintenance exigent une période de fourniture de dispositifs étendue, car les équipements industriels sont généralement utilisés au moins dix ans. Le cycle de vie étendu des FPGA d'Intel répond aux besoins des clients du secteur industriel.

(5) Délai de développement : en plus de raccourcir le cycle de développement et de vérification par rapport au développement d'un ASIC, l'utilisation de FPGA signifie que les changements de logique peuvent être effectués rapidement en cas de problème, ou si nécessaire, pour modifier ou améliorer des exigences fonctionnelles.

Comme le montre la Figure 2, le contrôleur utilise un processeur Intel et un contrôleur réseau Intel ainsi que des FPGA Intel.

Surveillance croisée des codeurs par plusieurs FPGA Intel Fonctions de sécurité mises en œuvre conformément aux normes de sécurité fonctionnelle

Il est essentiel de mettre en place des mesures de sécurité strictes dans le cadre de l'utilisation de robots ou d'autres machines industrielles afin de protéger les personnes ou les biens situés à proximité en cas de problème ou de dysfonctionnement, et de limiter au maximum les conséquences d'un tel incident. S'il existe de nombreuses façons de mettre ces mesures en place (avis de sécurité, barrière physique fournie par une enceinte de sécurité, etc.), le terme « sécurité fonctionnelle » fait référence à l'atténuation des risques au moyen de circuits électriques, de circuits électroniques ou de logiciels.

Pour se conformer aux normes de sécurité fonctionnelle, il est généralement nécessaire de renforcer le système de commande grâce à des fonctions de sécurité supplémentaires. Sur le YRC1000, ces systèmes liés à la sécurité sont mis en œuvre sur une carte de circuit imprimé distincte (la « carte de circuit imprimé de sécurité ») (Figure 4).

Figure 4. Aperçu de la sécurité fonctionnelle du YRC1000.

La tâche des FPGA Intel sur la carte de circuit imprimé de sécurité est de surveiller en permanence la position et la vitesse du bras du robot en fonction des données provenant des encodeurs de chaque axe. Un exemple de fonction de sécurité serait un mécanisme d'arrêt immédiat des moteurs d'axe si, pour une raison quelconque, le bras se déplace en dehors d'une région prédéfinie ou dépasse une vitesse prédéfinie.

Le YRC1000 intègre également d'autres améliorations de la fiabilité et de la sécurité, notamment la surveillance croisée des données des encodeurs par les différents FPGA Intel.

L'utilisation du boîtier Intel certifié CEI 61508 permet de réduire le temps et les efforts nécessaires à la certification du contrôleur

La conformité aux normes de sécurité fonctionnelle est une exigence obligatoire dans plusieurs pays et régions. La directive 2006/42/CE sur les machines de l'UE, par exemple, impose la conformité à la norme CEI 61508. Cela oblige les vendeurs d'équipements à mettre à jour leurs systèmes internes de gestion de la qualité pour qu'ils englobent les normes pertinentes et à les intégrer dans leurs processus de développement et de vérification.

Par ailleurs, il est également courant de faire appel à une agence tierce pour certifier que les équipements d'une entreprise sont conformes aux normes de sécurité fonctionnelle.

Consciente de l'importance de cette norme, Intel a lancé en 2010, l'année même de la publication de la deuxième édition de la norme CEI 61508, son pack de données de sécurité fonctionnelle certifié CEI 61508, une première dans l'industrie, afin de réduire le temps nécessaire à la certification de la conformité de la sécurité fonctionnelle des systèmes comprenant des FPGA Intel.

Le pack de données de sécurité fonctionnelle est destiné aux modèles allant jusqu'au niveau trois d'intégrité de la sécurité (SIL3) de la norme CEI 61508, la certification du FSDP étant assurée par TÜV Rheinland, un organisme de certification tiers allemand. Le pack comprend les éléments suivants. Reportez-vous au tableau 1 (ci-dessous) pour en savoir plus sur le contenu du pack de données de sécurité fonctionnelle :

(1) Des directives pour l'utilisation des méthodologies et des outils de développement FPGA d'Intel afin de concevoir des systèmes qui répondent aux exigences de la certification CEI 61508.

(2) Un outil pour FMEDA qui calcule les taux de défaillance et les fractions de défaillance sûres (SFF) pour les systèmes qui utilisent des FPGA Intel.

(3) Manuels de sécurité spécifiant comment utiliser le logiciel de conception Intel® Quartus® Prime et les systèmes FPGA Intel conformément à la norme CEI 61508.

(4) IP certifiée pour le matériel, tel que le processeur Nios® II, et IP de diagnostic conforme à la norme CEI-61508 (y compris le code source) pour surveiller l'intégrité des FPGA, de la mémoire et des signaux d'horloge.

(5) Derniers rapports de fiabilité sur les FPGA d'Intel.

(6) Certificat de conformité délivré par TÜV Rheinland.

Avec le contrôleur de robot décrit dans cet article, le pack de données de sécurité fonctionnelle a permis de raccourcir le temps et de réduire les coûts liés à la mise en œuvre de la sécurité fonctionnelle et à l'obtention de la certification pour les machines industrielles critiques en termes de sécurité, telles que les servomoteurs industriels, les variateurs, les dispositifs de sécurité et les contrôleurs d'automatisation (Figure 5). Selon les circonstances, Intel estime qu'il est possible de raccourcir considérablement les délais de développement des produits.3

Chez Yaskawa Electric, le pack de données de sécurité fonctionnelle Intel a été utilisé avec succès dans le développement des systèmes de sécurité YRC1000 illustrés à la figure 5, ce qui a permis de réduire le temps nécessaire à la certification pour les normes de sécurité IEC 61508 SIL2, EN ISO 10218-1:2011 et EN ISO 13849-1:2015.

Figure 5. Pack de données de sécurité fonctionnelle des FPGA d'Intel pour les applications industrielles.3

Tableau 1 Pack de données de sécurité fonctionnelle pour les FPGA d'Intel.4

Les FPGA et le pack de données de sécurité fonctionnelle d'Intel répondent aux besoins changeants des robots industriels

Le concept d'usines ou de centrales intelligentes, qui se caractérise par un fonctionnement plus intelligent, attire l'attention dans un contexte de demande constante pour une plus grande productivité et efficacité, de progrès informatiques et de pénurie de main-d'œuvre dans plusieurs pays.

L'adoption à grande échelle de ces pratiques intelligentes s'accompagnera probablement d'une utilisation accrue de technologies telles que les robots collaboratifs, les robots autonomes et les AGV autonomes, en particulier les robots industriels décrits dans cet article. Des applications de contrôle à distance qui intègrent des télécommunications de cinquième génération (5G) et des systèmes 5G privés sont déjà en cours d'essai. Au-delà des performances et de la précision, il est également nécessaire de renforcer la sécurité et la fiabilité.

Les FPGA d'Intel et la flexibilité qu'ils offrent pour modifier la logique se révéleront probablement des atouts précieux pour faire face aux exigences de sécurité ainsi qu'à ces nouvelles pratiques intelligentes et à d'autres évolutions rapides du marché. Yaskawa Electric, l'un des leaders mondiaux de la robotique industrielle, a déjà mis les FPGA d'Intel à contribution pour améliorer les performances et la précision de ses contrôleurs de robots et faciliter la mise en œuvre de la sécurité fonctionnelle. En adoptant le pack de données de sécurité fonctionnelle d'Intel, il a également réduit la quantité de travail nécessaire pour obtenir la certification de sécurité fonctionnelle.

Tandis que le secteur de la robotique et de la machinerie industrielle continue d'évoluer, les FPGA d'Intel et le pack de données de sécurité fonctionnelle sont d'ores et déjà disponibles.

Pour plus d'informations sur la sécurité fonctionnelle industrielle, veuillez consulter le site : https://www.intel.fr/content/www/fr/fr/industrial-automation/programmable/applications/automation/functional-safety.html.

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Infos sur le produit et ses performances

1La directive européenne sur les machines 2006/42/CE https://ec.europa.eu/growth/sectors/mechanical-engineering/machinery_en.
3La mesure dans laquelle les calendriers de développement réels peuvent être raccourcis dépend des circonstances particulières.
4En octobre 2020.