Automatisation pneumatique

Une des premières applications des techniques pneumatiques apparaît à l’ère industrielle : le marteau-piqueur. Son utilisation au fond des mines exploite une caractéristique importante :

Cet outil est aussi présent pour le percement de tunnels destinés à la mise en place de réseaux ferroviaires. Le train va aussi utiliser le fluide pneumatique pour les dispositifs de freinage. Les critères de choix à ce niveau sont :

En effet, l’air comprimé transmet les mouvements sans à-coups. Au niveau du vérin, cet avantage devient parfois inconvénient selon les applications :

Un autre inconvénient touchant à l’environnement et à la qualité de la vie existe :

Malgré les importants progrès techniques réalisés, le marteau-piqueur, pour les travaux dans la rue, et la purge des dispositifs de freinage des poids lourds font partie de notre vie quotidienne.

La mécanisation vise à remplacer l’effort musculaire par un élément de substitution : le vérin. L’opérateur, en agissant sur un poussoir ou sur une pédale, provoque des opérations simples telles que : lever une charge, orienter un objet pesant, charger ou décharger une pièce sur une machine-outil, indexer un plateau rotatif, marquer une pièce, ouvrir ou fermer une porte de garage, etc. Ces actions élémentaires sont réalisées par la simple association d’un vérin commandé directement par un distributeur. Apparaît ici le domaine de prédilection des actionneurs pneumatiques :

L’automatisation va dépasser le stade de la simple mécanisation en permettant l’enchaînement automatique de mouvements, la réalisation de séquences. Les commandes sont d’abord électriques, elles mettent en œuvre des capteurs (pour contrôler la position des vérins), des relais qui, en fonction des informations transmises par les capteurs et d’un câblage adéquat selon le cycle à réaliser, pilotent les électrodistributeurs. Ces derniers à leur tour transmettent l’énergie pneumatique vers le vérin. L’air comprimé n’intervient qu’au niveau de l’actionneur. Cet enchaînement met en évidence le principe fondamental des commandes de machines automatiques ou de process industriels : capter, traiter, commander.

Tout pneumatique ? de nombreux éléments militent en faveur des installations pneumatiques :

Vers les années 1965, des capteurs d’information pneumatiques et des cellules logiques fonctionnant à l’air comprimé sont développés, ils vont permettre de réaliser la chaîne complète : capter, traiter et commander avec un seul fluide. Des installations associant des centaines de cellules sont réalisées.

Les méthodes de conception des schémas utilisées sont intuitives ou font appel à des démarches plus cartésiennes : table de Karnaugh ou méthode cascade. La tendance de l’époque vise à obtenir le coût de composants le plus réduit sans intégrer les notions de coûts de mise en œuvre, d’exploitation, de maintenance ou d’intervention. Combien de techniciens ont passé des heures à intervenir sur des schémas tortueux que seul le concepteur avait quelque chance de comprendre, si l’étude n’était pas trop ancienne.

La fluidique, dans les années 1970, tente une percée parallèlement aux solutions conventionnelles. C’est une technique de haut niveau aux performances exceptionnelles de vitesse, de compacité, d’intégration et de fiabilité, utilisée à l’origine dans le domaine spatial et aéronautique. Les capteurs et cellules logiques ne possèdent aucune pièce en mouvement, l’interaction de jets d’air minuscules étant associés au principe d’attachement de paroi (effet Coanda) ou d’amplification à turbulence.

La fluidique est au pneumaticien ce qu’est l’électronique à l’électricien. Cela explique en partie pourquoi cette épopée n’a pas vu de suite prometteuse, malgré la tentative de quelques constructeurs de développer des solutions mixtes : pièces mobiles légères fonctionnant à faible pression.

La technique du séquenceur permet de distribuer les signaux de commande dans l’ordre souhaité (enchaînement des mouvements). Elle provoque un engouement vers 1975, alors que certains constructeurs appliquent déjà ces concepts depuis plusieurs années. Une forte communication, la collaboration de l’Éducation nationale et l’association à des concepts tels que le Grafcet (outil de présentation et d’analyse des enchaînements à réaliser) ont favorisé cette percée.

Les avantages principaux du séquenceur sont :

Les composants sont miniaturisés et des assemblages astucieux par juxtaposition et encliquetage réduisent les câblages tout en facilitant le montage.

De nombreuses industries exploitent des machines adaptées à ce concept : manutention, emballage, conditionnement, assemblage, pour en citer quelques-unes.

Actuellement, l’électronique modifie considérablement les concepts et les développements. Le microprocesseur et la percée de l’électronique offrent des capacités de traitement et de transfert de signaux que la pneumatique ne peut atteindre.

Excepté pour quelques installations très spécifiques ou des machines mettant en œuvre peu d’actionneurs pneumatiques avec des séquences fixes peu complexes, l’alternative électronique pour la prise d’information (capteurs) et le traitement de l’information électronique (cartes spécifiques, automates, micro-ordinateurs, etc.) font de nombreux adeptes.

La technique pneumatique oriente ses efforts vers :

Le pneumaticien utilise l’air comprimé mis à sa disposition au poste de travail. Il est toutefois nécessaire pour une bonne compréhension de certains problèmes de connaître les éléments en amont.

L’air, source inépuisable nous entoure. Ce gaz est composé essentiellement d’azote, d’oxygène, de gaz carbonique, de vapeur d’eau et de gaz rares. Et si l’air est gratuit, l’air comprimé l’est moins quand on suit son parcours jusqu’au point d’utilisation.

Le compresseur transforme l’air ambiant en énergie : « l’air comprimé ». Le principe est fort simple : enfermer un volume d’air à la pression atmosphérique dans une enceinte hermétiquement close puis réduire le volume par l’application d’une force externe, la pression croît de manière inversement proportionnelle au volume. Chacun de nous a mis en pratique ce principe simple avec une pompe à vélo. Pour l’entraînement, le compresseur utilise une énergie extérieure, souvent un moteur électrique, et met en oeuvre des pressions et des volumes importants.

Le pneumaticien ne s’encombre guère l’esprit de formules mathématiques, il vient toutefois d’appliquer ici la loi de Mariotte (simplifiée car elle ne tient pas compte de la variation de température provoquée par le frottement des molécules durant la compression dont l’incidence est négligeable dans les applications usuelles) :

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