Se familiariser avec les types d'actionneurs dans l'IoT

Nov 25, 2023

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Les actionneurs, qui sont antérieurs à l'ère numérique, sont des composants matériels au cœur de nombreux déploiements IoT. Au niveau le plus élémentaire, un actionneur est un dispositif qui convertit l'énergie en mouvement.

"Ce ne sont que des moyens de transformer une forme d'énergie en action ou en mouvement", a déclaré Shawn Chandler, membre senior de l'IEEE et directeur de l'énergie, de la durabilité et des infrastructures pour le cabinet de conseil Guidehouse.

Pour que les ingénieurs construisent des produits efficaces et fonctionnels, ils doivent savoir comment fonctionne le matériel de l'actionneur, ainsi que les sources d'alimentation et les exigences de maintenance de chaque type. Grâce à ces connaissances, ils peuvent s'assurer qu'il n'y a pas de surprises de développement matériel tout au long du flux de travail de conception et de fabrication du produit.

Dans l'IoT, les actionneurs permettent une action physique basée sur des données provenant d'un ou plusieurs capteurs.

La conversion des données du capteur en activité suit cette séquence :

Par exemple, un déploiement IoT qui régule un réfrigérateur dispose de capteurs pour lire la température. Les capteurs envoient les données de température au système de contrôle comme prévu. Le système de contrôle compare ces lectures de température à la plage de température souhaitée programmée. Si la température sort de cette plage préprogrammée, le système de commande envoie un signal à un actionneur pour activer ou désactiver la réfrigération.

Dans de nombreux déploiements IoT, le capteur, le contrôleur et l'actionneur sont des composants physiquement différents qui communiquent via des réseaux de communication sans fil ou câblés et un protocole Internet. Dans d'autres versions, un seul appareil physique abrite les trois composants. Une vanne intelligente, par exemple, contient généralement un capteur, un contrôleur et un actionneur.

Certains déploiements IoT se concentrent sur les actionneurs eux-mêmes. Dans de tels cas d'utilisation, les capteurs surveillent les performances des actionneurs, a déclaré Preston Johnson, responsable principal des solutions pour l'intégrité et la fiabilité des actifs à la périphérie intelligente chez l'intégrateur expert du domaine CBT.

"Dans l'ancien monde, il fallait que quelqu'un inspecte les actionneurs", a déclaré Johnson. "Mais, avec l'avènement de l'IoT, nous n'avons pas besoin d'envoyer des inspecteurs. Nous pouvons obtenir des rapports sur les performances des actionneurs ou s'ils ont besoin d'atténuation."

Des capteurs peuvent surveiller, par exemple, la vitesse à laquelle les actionneurs ouvrent et ferment les vannes dans les tuyaux, avec des contrôleurs qui analysent les mesures pour s'assurer que les actionneurs fonctionnent correctement et pour envoyer une alerte en cas de dysfonctionnement.

Dans le cas de la vanne intelligente qui contient le capteur, le contrôleur et l'actionneur en une seule partie, l'appareil pourrait avoir un protocole de communication pour envoyer des données à un serveur central qui analyse les performances de la vanne, a déclaré Johnson.

Pour effectuer un mouvement, l'actionneur a besoin d'énergie. Les principaux types de sources d'énergie sont les suivants :

Chaque type présente des avantages et des inconvénients potentiels.

Les actionneurs électriques, une option courante pour les appareils IoT, convertissent l'énergie en couple mécanique. L'énergie électrique est moins bruyante en fonctionnement que les autres types d'actionneurs. Ces actionneurs ne nécessitent pas de fluide pour fonctionner. De plus, les actionneurs électriques offrent un positionnement de précision à haut contrôle grâce à la programmabilité. Mais ces actionneurs peuvent être coûteux. Ils peuvent également ne pas convenir aux environnements d'exploitation extrêmes rencontrés dans certains cas d'utilisation de la fabrication, de l'aérospatiale et de l'armée.

Les actionneurs hydrauliques peuvent exercer une force importante et se déplacer à grande vitesse. Ces caractéristiques conviennent à une utilisation dans les équipements de construction et de fabrication. Mais ils ont des exigences d'entretien élevées. Par exemple, ils peuvent avoir besoin d'une atténuation du bruit et les fuites de fluides peuvent réduire leurs performances.

Les actionneurs pneumatiques, qui utilisent de l'air comprimé ou du gaz comme source d'énergie, nécessitent moins d'entretien et une durée de vie plus longue que les autres types d'actionneurs. Ils sont durables et capables de fonctionner à des températures extrêmes. Cette catégorie peut également démarrer et arrêter rapidement le mouvement. Mais ils nécessitent tout de même un peu d'entretien. Par exemple, ils exigent une alimentation en air constante et leur efficacité est affectée par les changements de pression d'air et de gaz.

Les actionneurs thermiques ou magnétiques utilisent l'énergie obtenue en chauffant un alliage à mémoire de forme. Ils ont un facteur de forme compact, sont légers et ont une densité de puissance élevée. Il supprime également le besoin d'un capteur de température lorsqu'il est utilisé dans une vanne thermique qui intègre des fonctions de contrôle de fluide, d'actionnement et de détection de température. Étant donné que cet actionneur utilise la chaleur pour se déplacer, le piston de l'actionneur peut changer de position et provoquer un décalage si l'appareil chauffe ou refroidit, ce qui provoque une hystérésis. Le métal de l'actionneur peut également souffrir de fatigue structurelle et fonctionnelle.

Une autre façon de classer les actionneurs est le type de mouvement qu'ils produisent. Les mouvements mécaniques comprennent les mouvements rotatifs, linéaires et oscillants.

"Le type d'actionneur dont vous avez besoin dépend du travail que vous en avez besoin", a déclaré Johnson.

Un actionneur hydraulique à mouvement linéaire répond au besoin de soulever quelque chose de lourd en ligne droite de haut en bas. Les actionneurs pneumatiques à mouvement rotatif seraient le choix probable pour un bras robotique. Les actionneurs électriques sont le type le plus courant pour les déploiements IoT, selon Chandler.

Bien que les actionneurs soient un composant dans de nombreux cas d'utilisation de l'IoT, les équipes IoT d'entreprise ne sélectionnent souvent pas directement le type d'actionneur qu'elles déploient. Les fournisseurs de matériel d'automatisation sélectionnent souvent les composants de l'appareil, y compris l'actionneur, et les vendent comme une offre groupée, a déclaré Chandler.

Plus les équipes de conception d'appareils IoT en savent sur les composants, mieux elles peuvent être informées de la manière dont les actionneurs peuvent affecter les exigences de maintenance, le bruit de fonctionnement et la durée de vie du produit. Même si les ingénieurs de produits IoT n'achètent pas directement d'actionneurs auprès d'un fournisseur, ils doivent toujours travailler avec les fournisseurs pour confirmer qu'ils obtiennent l'actionneur le plus approprié dans le cadre de l'offre technologique et qu'il prend en charge le cas d'utilisation souhaité.

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Les actionneurs sont un composant matériel essentiel des produits IoT. Familiarisez-vous avec le fonctionnement des actionneurs, les différents types de sources d'énergie et leurs cas d'utilisation.

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