Remplacement des entraînements traditionnels à un seul axe ! Quelles économies les solutions EtherCAT multi-axes permettent-elles aux entreprises de réaliser ?

Pourquoi l’architecture des variateurs servo multi-axes permet-elle des économies immédiates sur les infrastructures

Élimination des composants redondants : pas de commutateurs externes, ni de concentrateurs ou de répéteurs en cascade

Les variateurs de servo-moteurs multi-axes regroupent l'ensemble de ces fonctions de commande dans un seul boîtier, éliminant ainsi la nécessité de recourir à tous ces équipements réseau supplémentaires qui sont standard dans les anciennes configurations mono-axe. Lorsque tous les composants sont intégrés, il n'est plus nécessaire d'utiliser des commutateurs, des concentrateurs ou ces répéteurs en cascade fastidieux. Ces éléments ne font qu'alourdir la conception, augmenter le nombre de points de défaillance potentiels et finalement alourdir sensiblement les coûts pour les entreprises sur le long terme. Le fait d'intégrer plusieurs axes au sein d'un seul variateur intelligent permet aux fabricants de réaliser une économie d'environ 15 à 20 % sur les composants seuls, tout en rendant leurs systèmes nettement moins sujets aux problèmes de connexion. Certains rapports sur l'efficacité de l'automatisation ont même révélé que ces systèmes consolidés réduisent les connexions électriques d'environ trois quarts par rapport aux approches traditionnelles. Cela se traduit directement par des installations plus rapides et l'absence de préoccupations liées à la maintenance de tout cet équipement réseau supplémentaire. En outre, la conception simplifiée permet de réduire d'environ 40 % le temps nécessaire à la validation lors de la mise en service.

Espace dans l'armoire et réduction du câblage : les variateurs à deux et à quatre axes réduisent l'encombrement dans l'armoire jusqu'à 60 %

En ce qui concerne les systèmes d'entraînement, les configurations intégrées réduisent considérablement les besoins en infrastructure physique. Les modèles à deux et à quatre axes intègrent essentiellement plusieurs variateurs dans une seule unité, ce qui permet de libérer environ 60 % d’espace supplémentaire dans l’armoire par rapport à l’installation individuelle de variateurs séparés. Grâce aux bus CC partagés et aux ports de communication intégrés, le câblage requis est nettement réduit sur l’ensemble de l’installation : on parle d’une réduction des câbles comprise entre 70 et 85 %, ce qui implique moins de gaines traversant les murs, moins de travaux de raccordement aux points de connexion, et, bien entendu, des économies de temps et d’argent sur la main-d’œuvre d’installation. Selon les retours des techniciens sur site, les délais d’installation sont généralement réduits d’environ 30 %. D’autres avantages économiques existent également : des armoires de commande plus petites entraînent un coût moindre pour les matériaux d’enceinte, et la réduction de la chaleur générée diminue les besoins en refroidissement au niveau de l’installation. Pour les fabricants confrontés à des contraintes d’espace, ces solutions d’entraînement compactes leur permettent d’obtenir des résultats remarquables avec un ratio de 3 axes par pied carré (soit environ 3 axes par 0,09 m²). Cela rend l’extension des lignes de production beaucoup plus facile, sans nécessiter de modifications majeures des installations existantes.

Les performances déterministes d'EtherCAT comme levier direct de réduction des coûts

Jitter inférieur à la microseconde et horloges distribuées permettant une synchronisation précise des variateurs de servo-moteurs multi-axes – réduisant les erreurs de mouvement et les essais matériels coûteux

Le système d’horloges distribuées d’EtherCAT permet d’atteindre une synchronisation inférieure à une microseconde, éliminant ainsi pratiquement les problèmes de temporisation qui perturbent l’alignement dans les systèmes de mouvement multi-axes. Avec une telle précision, les erreurs de positionnement des servomoteurs diminuent d’environ 90 % par rapport aux anciennes technologies de bus de terrain, ce qui se traduit par moins de retours sur le matériel et nettement moins de déchets. Les résultats observés dans des applications réelles sont également impressionnants : les entreprises du secteur de l’emballage ont enregistré environ 40 % de pannes liées au mouvement en moins depuis leur passage aux variateurs de servo-moteurs pilotés par EtherCAT. Selon l’étude de l’Institut Ponemon publiée en 2023 sur les coûts des temps d’arrêt dans l’automatisation industrielle, cela représente des économies annuelles d’environ 740 000 dollars par ligne de production.

Communication à câble unique et cadre unique, évolutif jusqu’à plus de 10 000 nœuds – réduisant de ~70 % la surcharge de communication par axe

La fonction de traitement en continu d'EtherCAT permet de connecter en chaîne jusqu'à plus de 65 000 dispositifs, chacun n'exigeant qu'un seul câble lorsqu'ils sont reliés bout à bout. Cela remplace les configurations réseau complexes en étoile par une solution bien plus simple et nécessitant globalement beaucoup moins d'équipements. Les entreprises signalent des économies allant de 60 à 80 % sur les câbles par rapport aux connexions point à point traditionnelles, tout en réduisant également le temps de propagation des messages au sein du système. Les retards de communication tombent à environ 30 microsecondes pour chaque millier de points d'entrée/sortie, et les ingénieurs consacrent désormais environ la moitié du temps précédemment nécessaire pour configurer ces réseaux. De grands fabricants ont également observé des résultats probants : certains affirment que leur charge de communication a diminué d'environ 70 % lors du passage à l'échelle de systèmes comportant plus de dix mille nœuds, sans avoir besoin de matériel supplémentaire tel que des commutateurs ou des répéteurs. Ces améliorations se traduisent par des économies concrètes : une usine a ainsi rapporté près de deux millions de dollars d'économies après cinq ans d'utilisation de systèmes robotiques à haut nombre d'axes.

Coût total de possession : Variateurs servo multi-axes contre déploiements sur bus de terrain mono-axe

Économies sur le câblage et la main-d'œuvre : 60 à 80 % moins de câbles, de gaines et de raccordements par rapport à CANopen/PROFIBUS

En ce qui concerne les variateurs servo multi-axes, ces systèmes regroupent le contrôle de 2 à 4 axes environ au sein d’une seule unité compacte. Cette configuration réduit considérablement les besoins en infrastructure physique : on parle de déploiements nécessitant 60 % à 80 % moins de câblage que les anciens systèmes CANopen ou PROFIBUS. Que signifie cela concrètement ? Plus besoin de tirer des kilomètres de gaines, de gérer des centaines de points de raccordement ni de lutter contre des faisceaux de câbles complexes, dont l’assemblage prenait autrefois un temps considérable. Prenons l’exemple d’une ligne de production typique comportant 50 axes : les économies réalisées sont alors très substantielles, avec environ 18 000 $ épargnés uniquement sur les coûts du câblage en cuivre. N’oublions pas non plus les gains de temps liés à la main-d’œuvre : les installateurs doivent désormais poser un seul câble d’alimentation et un seul câble EtherCAT par variateur, au lieu de tirer des câbles séparés pour chaque moteur comme c’était le cas avec les anciens systèmes. L’assemblage des armoires est également nettement accéléré, réduisant les délais de construction de 40 % à 65 %. Cela signifie que la mise en service de l’ensemble s’effectue plus rapidement que jamais.

Facteurs cachés influençant le coût total de possession (TCO) : temps consacré à l’ingénierie, cycles de validation, stock de pièces détachées et maintenance à long terme

Au-delà des économies sur le matériel, les variateurs servo multi-axes réduisent les coûts cachés tout au long du cycle de vie opérationnel :

• Charge de travail liée à l’ingénierie diminue de 30 à 50 % grâce à des topologies standardisées et à une programmation personnalisée réduite
• Les cycles de validation sont raccourcis en éliminant les risques d’intégrité du signal liés aux connexions en cascade
• Le stock de pièces détachées diminue de 60 % — un seul variateur remplace 2 à 4 variateurs mono-axe
• La maintenance prédictive est simplifiée grâce à une surveillance centralisée de l’état via les diagnostics EtherCAT

Les installations font état d’une réduction de 35 % des coûts annuels de maintenance, due à un nombre moindre de points de défaillance. Les arrêts non planifiés causés par la corrosion des connecteurs ou les dommages aux câbles diminuent fortement — un facteur critique pour les industries exigeant une haute disponibilité, comme l’emballage, où chaque heure d’arrêt non planifié coûte en moyenne 740 000 $ (Institut Ponemon, Rapport de référence sur les coûts des arrêts dans l’automatisation industrielle , 2023).

Surmonter les obstacles à l’adoption : pourquoi les fabricants d’équipements d’origine (OEM) hésitent — et comment combler ce fossé

Même si des études montrent des économies de coûts totales comprises entre 35 et 42 % lors de la mise en œuvre d’entraînements servo multi-axes, de nombreux constructeurs équipementiers (OEM) éprouvent encore des difficultés à généraliser l’adoption de ces systèmes dans leurs opérations. Il existe essentiellement quatre principaux obstacles sur cette voie. Le premier est le casse-tête que représente l’intégration de nouvelles technologies avec des équipements anciens utilisant des normes de communication différentes. Ensuite vient inévitablement la question financière, que personne ne souhaite aborder en amont : des investissements initiaux qui semblent élevés, sans retour sur investissement immédiat perceptible dans les mois suivants. Les équipes de maintenance manquent fréquemment d’une formation adéquate aux technologies EtherCAT, ce qui constitue un autre frein. Et n’oublions pas le cauchemar de tout le monde : les arrêts de production pendant la modernisation des machines existantes avec cette technologie plus récente. L’ensemble de ces facteurs combinés suscite une hésitation sérieuse, malgré les avantages financiers à long terme qui attendent au bout du tunnel.

La meilleure approche ? Commencer petit en mettant en œuvre les changements d’abord sur les lignes de production les moins critiques. Cela permet aux entreprises de tester le bon fonctionnement des nouvelles solutions avant de s’y engager pleinement, ce qui contribue à réduire les risques potentiels. Collaborer avec des partenaires certifiés est également judicieux : ces professionnels maîtrisent parfaitement l’intégration de nouveaux systèmes et la formation adéquate du personnel. Leur expérience en matière de commande de mouvement peut véritablement accélérer la mise en œuvre. En examinant les coûts sur le long terme, il convient de noter un avantage significatif des variateurs servo multi-axes par rapport aux solutions mono-axe : des études montrent des économies allant de 60 à 80 % rien que sur les coûts de câblage et de main-d’œuvre. Ces économies s’accumulent rapidement. La plupart des projets pilotes que nous avons observés se rentabilisent en environ un an et demi, grâce notamment à une réduction des besoins en stocks et à une diminution du temps consacré à la maintenance corrective. Et n’oublions pas non plus les conceptions modulaires des variateurs : elles permettent des remplacements faciles pendant les périodes de maintenance régulières, sans nécessiter l’arrêt complet des opérations. En outre, elles restent compatibles avec les équipements plus anciens, ce qui évite de devoir jeter prématurément ce qui est déjà en service.