Vision industrielle en environnements sévères : défis et solutions

Un système de vision industrielle qui fonctionne parfaitement sur l'établi peut tomber en panne en quelques semaines une fois installé sur une véritable ligne de production. Quand cela arrive, la cause n'est presque jamais la vision elle-même. C'est l'environnement. La chaleur, la poussière, les vibrations, le lavage sous pression et l'air corrosif qui sont normaux sur un site de production et totalement absents du laboratoire où le système a été validé.

C'est l'une des raisons les plus courantes pour lesquelles les projets de vision déçoivent. C'est aussi l'une des plus évitables. Chacune de ces conditions a une réponse éprouvée. Le problème, c'est que la protection contre l'environnement est en général ce à quoi personne n'a pensé jusqu'à ce que le système soit déjà en place et en difficulté. Ce guide expose ce que chaque condition sévère fait réellement à un système de vision, explique les indices IP en termes simples, passe en revue les options de boîtier et de protection et donne les vraies solutions que nous utilisons pour maintenir un système en état de marche là où l'environnement essaie de l'arrêter.

Pourquoi l'environnement fait échouer plus de projets que la vision

Il vaut la peine de comprendre pourquoi cela prend tant de gens au dépourvu. Un système de vision est développé et testé dans des conditions contrôlées. L'éclairage est stable, la température est agréable, l'air est propre, rien ne bouge. Dans ce cadre, le système fonctionne parfaitement. Il est validé et livré sur la ligne.

La ligne est un monde différent. Une caméra qui n'a jamais été conçue pour cela affronte désormais des températures qui poussent son électronique au-delà de ses limites, de la poussière qui se dépose sur l'objectif et l'aveugle, des vibrations qui décalent sa visée ou desserrent un connecteur, ainsi que des routines de nettoyage qui l'aspergent d'eau chaude et de produits chimiques. Rien de tout cela n'est apparu lors des tests. Rien de tout cela n'était présent. La vision a toujours été fiable. Le système n'était simplement pas protégé pour l'endroit où il devait vivre. Bien traiter l'environnement n'est pas un extra facultatif sur un projet de vision. Cela fait partie de ce qui fait fonctionner la vision, tout simplement.

Les cinq conditions qui attaquent un système de vision

Les environnements sévères se présentent sous une poignée de formes reconnaissables. Chacune attaque un système différemment. Chacune exige une réponse différente.

Température extrême. La chaleur est l'ennemi le plus courant. Chaque caméra a une température de fonctionnement nominale. La dépasser provoque du bruit dans l'image, une dérive et, à terme, la défaillance de l'électronique. Fonderies, fours, étuves et procédés chauds rayonnent tous de la chaleur sur tout ce qui se trouve à proximité. Le froid est également un problème, dans les chambres froides et les installations en extérieur, où de la condensation se forme sur l'optique et où l'électronique fonctionne en dessous de sa plage nominale. Les deux extrémités de l'échelle doivent être maîtrisées.

Poussière et particules en suspension. La poussière est implacable. Elle se dépose sur l'objectif ou la fenêtre de protection et dégrade progressivement l'image jusqu'à ce que l'inspection échoue. Dans les pires cas, elle s'infiltre à l'intérieur d'une caméra non étanche et l'endommage. La menuiserie, le ciment, les poudres alimentaires, le textile, la pharmacie et la métallurgie produisent tous de fines particules qui trouvent le moindre interstice.

Vibrations et chocs. Les machines vibrent. Une caméra boulonnée dessus ou montée à proximité ressent chacune d'elles. Les vibrations rendent les images floues, décalent lentement une caméra de sa cible, puis desserrent les connecteurs avec le temps jusqu'à ce qu'apparaisse un défaut intermittent exaspérant à diagnostiquer. Presses, fraiseuses, convoyeurs et automatisation lourde en sont tous des sources.

Lavage sous pression et humidité. Dans la production alimentaire, de boissons et pharmaceutique, les équipements sont nettoyés régulièrement à l'eau haute pression, souvent chaude et mêlée de produits chimiques de nettoyage. Une caméra standard n'y survit pas longtemps. L'eau s'introduit de force dans la moindre ouverture. Les agents de nettoyage attaquent les joints et les surfaces. C'est l'un des environnements courants les plus sévères auxquels un système de vision est confronté.

Atmosphère corrosive. Certains environnements sont chimiquement agressifs. Le sel près des sites côtiers, les acides et solvants dans les usines chimiques, ainsi que divers gaz de procédé, corrodent tous avec le temps les boîtiers et connecteurs standard. Les dégâts sont progressifs mais implacables. Un système non protégé se dégrade lentement jusqu'à tomber en panne.

Les indices IP expliqués

Chaque fois que la protection contre la poussière et l'eau est évoquée, vous rencontrez les indices IP. Ils valent la peine d'être bien compris, car ils sont le langage de l'étanchéité vis-à-vis de l'environnement. IP correspond au sigle anglais d'Ingress Protection, protection contre la pénétration. L'indice est défini par la norme internationale CEI 60529. Il prend la forme des lettres IP suivies de deux chiffres.

Le premier chiffre est la protection contre les solides, sur une échelle de 0 à 6. Un 5 signifie que la caméra est protégée contre la pénétration nuisible de poussière. Un 6 signifie qu'elle est totalement étanche à la poussière, sans aucune pénétration. Le second chiffre est la protection contre l'eau, sur une échelle de 0 à 9K. Un 5 signifie une protection contre les jets d'eau à basse pression, un 6 contre les jets puissants, un 7 contre l'immersion temporaire jusqu'à un mètre de profondeur, puis 9K contre l'eau à courte distance, à haute pression et à haute température, celle utilisée dans le lavage industriel sous pression. Ainsi, quand vous lisez IP67, le 6 vous dit qu'elle est totalement étanche à la poussière et le 7 vous dit qu'elle survit à une immersion brève. Voici les indices que vous rencontrerez le plus souvent en vision industrielle.

Le point pratique est d'ajuster l'indice à l'environnement plutôt que de surspécifier ou de sous-spécifier. Une ligne poussiéreuse mais sèche peut n'avoir besoin que d'IP65. Une ligne alimentaire avec lavage sous pression à l'eau chaude a besoin d'IP69K. Acheter plus de protection que l'environnement ne l'exige gaspille de l'argent. En acheter moins est une panne qui ne demande qu'à se produire.

Options de protection, de la caméra vers l'extérieur

Il existe deux grandes façons de protéger un système de vision. Soit vous utilisez une caméra intrinsèquement robuste, soit vous placez une caméra normale à l'intérieur d'un boîtier de protection. Souvent, la meilleure réponse combine les deux.

Une caméra robuste et étanche. La solution la plus propre, là où elle convient, est une caméra conçue étanche dès le départ. Plutôt que de protéger une caméra fragile, vous en utilisez une qui n'a besoin d'aucune protection. Les gammes LUCID Triton et Atlas que nous fournissons, par exemple, sont classées IP67 avec des connecteurs M12 étanches. Elles supportent la poussière et le lavage sous pression directement, sans aucun boîtier. Pour une ligne humide ou poussiéreuse, c'est souvent plus simple, moins cher et plus fiable que de construire une protection autour d'une caméra standard.

Un boîtier de protection. Quand la caméra dont vous avez besoin n'est pas disponible sous forme étanche, ou que l'environnement dépasse ce que toute caméra étanche peut supporter, vous logez une caméra standard dans un boîtier industriel. Les boîtiers existent dans la même gamme d'indices IP, dans des matériaux allant de l'acier peint à l'inox pour le lavage sous pression et les milieux corrosifs, avec en plus une fenêtre en verre ou spécialisée devant l'objectif. Le boîtier encaisse les coups pour que la caméra ne les encaisse pas.

Protection active : refroidissement, chauffage et purge d'air. Pour les conditions les plus extrêmes, le boîtier fait plus qu'assurer l'étanchéité. Un boîtier refroidi, par air ou par eau, maintient une caméra en fonctionnement devant un four ou une étuve. Un boîtier chauffé garde l'optique claire et l'électronique dans sa plage dans une chambre froide ou en extérieur. Une purge d'air injecte de l'air propre sous pression dans le boîtier de sorte qu'il s'écoule doucement vers l'extérieur au travers de la fenêtre. Cela tient la poussière, les fumées et l'humidité à l'écart du verre et hors du boîtier. Ce sont les techniques qui permettent à un système de vision de travailler dans des endroits qui paraissent impossibles pour une caméra.

Les détails qui font la différence. La protection ne vaut que son point le plus faible. Le câblage et les connecteurs doivent correspondre à l'indice de la caméra, car une caméra IP67 sur un câble non étanche n'est pas une installation IP67. Le montage doit être rigide et, là où il y a des vibrations, amorti et indépendant de la machine qui vibre. Et la fenêtre devant l'objectif doit être du bon matériau pour l'environnement, du verre dans la plupart des cas, quelque chose de plus résistant là où l'impact ou les produits chimiques sont un risque. Ces détails peu spectaculaires sont exactement là où un système réussit ou échoue.

Ce n'est pas que la caméra : protégez toute la chaîne d'imagerie

Un point qui mérite d'être souligné, car il est si souvent oublié. La caméra reçoit toute l'attention quand on pense aux environnements sévères. Un système de vision est pourtant une chaîne. L'environnement attaque chaque maillon de celle-ci. L'objectif, l'éclairage et l'ordinateur sont tout aussi exposés que la caméra. Une faiblesse dans l'un d'eux fait échouer tout le système. La bonne nouvelle, c'est que chacun de ces éléments a lui aussi des options robustes.

Éclairage : illuminateurs étanches, adaptés au lavage sous pression

L'éclairage se trouve en plein dans l'environnement, souvent plus près du procédé que la caméra. Il encaisse les mêmes coups. Un illuminateur LED standard dans une zone de lavage sous pression tombera vite en panne à mesure que l'eau s'y infiltre. La poussière ou la chaleur raccourciront la durée de vie de toute lumière qui n'est pas construite pour cela. La réponse est la même que pour la caméra, utiliser un éclairage étanche et classé pour les conditions.

La gamme Advanced Illumination que nous fournissons comprend des illuminateurs classés IP et adaptés au lavage sous pression, construits précisément pour cela. Des boîtiers étanches qui peuvent être nettoyés en même temps que le reste de la ligne, classés pour survivre à l'eau, à la poussière et à la température qui tueraient une lumière standard. Spécifier un illuminateur adapté au lavage sous pression aux côtés d'une caméra adaptée au lavage sous pression est ce qui rend une cellule d'inspection de ligne alimentaire véritablement nettoyable dans son ensemble, plutôt que de protéger la caméra et de laisser la lumière comme point faible.

Objectifs : optique renforcée et verrouillage des réglages

Les objectifs ont leur propre vulnérabilité dans un environnement sévère. C'en est une à laquelle les gens pensent rarement jusqu'à ce qu'elle morde. Ce sont les vibrations.

Sur un objectif standard, la mise au point et le diaphragme se règlent par des bagues maintenues en place par de petites vis de blocage. Sur une ligne à fortes vibrations, ces vis peuvent se desserrer petit à petit. Quand elles le font, le réglage dérive. La mise au point glisse et l'image devient floue, ou le diaphragme se déplace et l'image devient trop claire ou trop sombre. L'inspection se dégrade en silence. Il peut falloir un moment pour comprendre pourquoi, car rien n'est manifestement cassé. C'est une panne vraiment courante et frustrante sur les installations à fortes vibrations.

Il y a deux réponses. Elles fonctionnent bien ensemble. La première est de verrouiller les réglages. Une fois la mise au point et le diaphragme réglés, les vis peuvent être verrouillées, ou sur certains objectifs fixées par un mécanisme de blocage ou même une pointe de marqueur. Les vibrations ne peuvent alors plus les déplacer. La seconde est d'utiliser un objectif renforcé construit pour l'environnement. La gamme Computar MPX que nous fournissons, par exemple, est classée pour 10G de choc et de vibration. Elle utilise un mécanisme flottant qui tient la mise au point sous les vibrations et les changements de température. Kowa fabrique également des versions spéciales pour l'environnement, y compris des conceptions étanches à l'eau et résistantes aux radiations, pour les conditions les plus sévères. Sur une ligne à fortes vibrations, un objectif renforcé avec des réglages verrouillés fait la différence entre un système qui tient sa calibration pendant des années et un autre qui dérive toutes les quelques semaines.

L'ordinateur : PC industriels à large plage de température et classés IP

Si votre système est basé sur PC, l'ordinateur est souvent la partie la plus fragile face à l'environnement de tout l'ensemble. C'est celle qui prend les concepteurs de systèmes au dépourvu de la façon la plus coûteuse. Un PC standard a des ventilateurs qui aspirent la poussière, une plage de température de fonctionnement étroite et aucune étanchéité. Placez-en un près d'un procédé chaud, poussiéreux ou humide et il tombera en panne.

La réaction habituelle est de concevoir autour du problème, de construire une armoire étanche et climatisée pour maintenir en vie un PC normal sur le site. Cela fonctionne. C'est aussi coûteux, cela prend de la place et c'est une chose de plus à entretenir. Il existe une bien meilleure réponse. Utiliser un ordinateur qui est construit pour l'environnement dès le départ.

La gamme Neousys que nous fournissons dans toute l'Europe est construite précisément pour cela. Les ordinateurs sont sans ventilateur, refroidis passivement, sans pièces mobiles ni ouïes qui aspirent la poussière. Ils se jouent des particules qui encrasseraient une machine normale. Ils portent de larges plages de température de fonctionnement, tournant dans des environnements chauds ou froids qu'un PC commercial ne pourrait pas tolérer. Des modèles classés IP sont disponibles pour les installations poussiéreuses et humides. Ils acceptent également une entrée en courant continu à large plage, gérant l'alimentation sale et fluctuante courante sur un site de production. Le bénéfice pratique est important. Choisir un PC industriel à large plage de température et classé IP peut épargner à un concepteur de systèmes le temps et le coût considérables de concevoir, construire et refroidir une armoire spéciale. L'ordinateur survit simplement à l'environnement tel quel. C'est l'une des décisions à plus forte valeur de toute la spécification pour un système qui doit vivre dans un endroit difficile.

Adapter la solution au défi

Voici le résumé, chaque condition face à la protection qui y répond. La plupart des installations réelles combinent deux ou trois de celles-ci.

À quoi cela ressemble en pratique

Quelques schémas concrets montrent comment ces pièces s'assemblent. Sur une ligne de lavage sous pression alimentaire, la réponse robuste la plus simple est en général une caméra classée IP69K ou IP67 dans un boîtier en inox, sur un câblage étanche. Toute l'installation peut alors être nettoyée aussi agressivement que la ligne qui l'entoure. Devant un four, une caméra standard est placée dans un boîtier refroidi par eau avec un écran thermique et un montage déporté. Elle peut alors imager un procédé chauffé au rouge tout en restant dans ses propres limites de température. Sur une ligne poussiéreuse, soit une caméra étanche, soit un boîtier avec une purge d'air constante garde la fenêtre propre. L'image reste bonne entre les intervalles de maintenance.

Le fil commun dans tous ces cas est que la protection a été prévue dès le départ, non pas ajoutée après coup une fois que le système a commencé à défaillir. C'est toute la leçon. Quand vous spécifiez un système de vision pour un environnement sévère, l'environnement fait partie de la spécification, au même titre que la caméra, l'objectif et l'éclairage. Faites-le correctement à l'étape de conception et le système fonctionne pendant des années. Laissez-le en pensée après coup et vous vous retrouverez de retour sur la ligne à tenter de le réparer dans des conditions où il est difficile de travailler.

Protégez-le correctement et il durera

Les environnements sévères font échouer plus de projets de vision que les inspections difficiles ne l'ont jamais fait. Et pourtant chaque condition, la chaleur, la poussière, les vibrations, le lavage sous pression et la corrosion, a une solution connue et éprouvée. L'astuce est de traiter la protection comme une partie de la conception plutôt que comme un problème à résoudre une fois que le système est déjà en train de défaillir. Ajustez l'indice IP à l'environnement, choisissez entre une caméra robuste et étanche et un boîtier de protection selon les mérites de chaque cas, puis soignez les détails peu spectaculaires du câblage, du montage et des fenêtres.

C'est quelque chose que nous traitons en permanence. C'est exactement le genre de chose qu'il vaut la peine d'examiner avant de vous engager sur un système. Nous fournissons des caméras robustes et étanches ainsi que les boîtiers, le refroidissement, la purge et le montage qui les accompagnent. Nous pouvons vous aider à spécifier un système qui survivra là où il doit travailler. Parlez-nous de votre environnement et nous vous aiderons à protéger la vision comme il se doit.

Découvrez nos solutions de protection contre l'environnement : parlez-nous de votre environnement

Contactez-nous : info@clearview-imaging.com | +33 5 33 52 33 38

Associé : Caméras | Guide complet des caméras | Tarifs