automat programmable, Lecture notes of Electronics

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1) Automate Programmable Industriel(API).

1.1) Définition d’un API.

L’Automate Programmable Industriel est un appareil électronique programmable, capable d'exécuter un programme contenue dans sa mémoire dont l'objectif de contrôler une machine ou processus industriels à travers les signaux logiques numériques et analogiques.

1.2) la structure générale d’un API.

 Une partie opérative ( P.O ) procédant au traitement des matières d’œuvre afin d'élaborer la valeur ajoutée ; c’est la partie mécanique du système qui effectue les opérations. Elle est constituée d’actionneurs tels que vérins, moteurs… utilisant de l’énergie électrique, pneumatique, hydraulique...

 Une partie dialogue ( P.I ) : est la partie interface se trouvant entre les deux faces PO et PC Traduisant les ordres et les informations.  Une partie commande (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la Partie Opérative avec la finalité d'obtenir cette valeur ajoutée.

 La structure simplifiée d’un ensemble automatisé peut se décomposer en trois parties essentielles : les entrées Tout Ou Rien (TOR), parfois analogiques, destinées à fournir des informations sur l’état du processus : fin de course, détecteur de niveau, pressostat, thermostat, etc.,

 l’automate qui traite les différentes informations d’entrée afin d’élaborer les ordres,  les sorties transmettant les ordres élaborés par l’automate, aux différents actionneurs ou pré- actionneurs : voyants, distributeurs de vérins, contacteurs de moteur...

1.3) Domaines d’emploi des automates : On utilise les API dans tous les secteurs industriels pour la commande des machines (convoyage, emballage ...) ou des chaînes de production (automobile, agroalimentaire ...) ou il peut également assurer des fonctions de régulation de processus (métallurgie, chimie ...). Il est de plus en plus utilisé dans le domaine du bâtiment (tertiaire et industriel) pour le contrôle du chauffage, de l'éclairage, de la sécurité ou des alarmes

 Des informations qui n’évoluent pas au cours de fonctionnement, mais qui peuvent en cas de besoin être modifiées par l’utilisateur : textes à afficher, valeurs de présélection, etc.. Ce sont des mots constants.  Les mémoires d’état des entrées/sorties , mises à jour par le processeur à chaque tour de scrutation du programme. Deux familles de mémoires sont utilisées dans les automates programmables :

 Les mémoires vives, ou mémoires à accès aléatoire « Random Access Memory (RAM) ». Le contenu de ces mémoires peut être lu et modifié à volonté, mais il est perdu en cas de manque de tension (mémoire volatiles). Elles nécessitent par conséquent une sauvegarde par batterie. Les mémoires vives sont utilisées pour l’écriture et la mise au point du programme, et pour le stockage des données.  Les mémoires mortes sont à lecture seule, les informations ne sont pas perdues lors de la coupure de l’alimentation des circuits. On peut citer les types suivants :  ROM « Read Only Memory » : Elle est programmée par le constructeur et son programme ne peut être modifié.  PROM « Programmable ROM » : Elle est livrée non enregistrée par le fabricant. Lorsque celle-ci est programmée, on ne peut pas l’effacer  EPROM « Erasable PROM » : C’est une mémoire PROM effaçable par un rayonnement ultraviolet intense.  EEPROM « Electrically EPROM » : C’est une mémoire PROM programmable plusieurs fois et effaçable électriquement.  Mémoire Flash : C’est une mémoire EEPROM rapide en programmation. L’utilisateur peut effacer un bloc de cases ou toute la mémoire. Remarque : La capacité mémoire se donne en mots de 8 BITS (Binary Digits) ou octets. Exemple : Soit une mémoire de 8 Koctets = 8 x 1024 x 8 = 65 536 BITS. Cette mémoire peut contenir 65 536 informations binaires.

2) Les interfaces entrées/sorties :

Les entrées/sorties TOR (Tout ou Rien) assurent l’intégration directe de l’automate dans son environnement industriel en réalisant la liaison entre le processeur et le processus. Elles ont toutes, de base, une double fonction :  Une fonction d’interface pour la réception et la mise en forme de signaux provenant de l’extérieur (capteurs, boutons poussoirs, etc.) et pour l’émission de signaux vers l’extérieur (commande de pré- actionneurs, de voyants de signalisation, etc.). 2.1) Les interfaces entrées Lors de l’activation d’une entrée de l’automate, l’interface d’entrée envoie un « 0 » logique à l’unité de traitement et un « 1 » logique lors de l’ouverture du contact du capteur (entrée non actionnée).

Figure 3 : Principe de fonctionnement de l'interface d'entrée

Le fonctionnement de l’interface d’entrée (figure 3) peut être résumé comme suit : Lors de la fermeture du capteur ;  La « Led 1 » signale que l’entrée de l’API est actionnée.  La « Led D’ » de l’optocoupleur « Opto 1 » s’éclaire.  Le phototransistor « T’ » de l’optocoupleur « Opto 1 » devient passant.  La tension Vs = 0 V. 2.2) Les interfaces de Sortie Le fonctionnement de l’interface de sortie (figure 4) peut être résumé comme suit : Lors de commande d’une sortie automate ;  L’unité de commande envoi un « 1 » logique (5V).  « T1 » devient passant, donc la « Led D’ » s’éclaire  Le photo-transistor « T’ » de l’optocoupleur « Opto1 » devient passant.  La « Led1 » s’éclaire.  « T2 » devient passant.  La bobine « RL1 » devient sous tension et commande la fermeture du contact de la sortie « Q0.1 ». Donc pour commander un API, l’unité de commande doit envoyer :  Un « 1 » logique pour actionner une sortie API  Un « 0 » logique pour stopper la commande d’une sortie API

Figure 4 : Principe de fonctionnement de l'interface de sortie

Exemple Sorties (TOR)

La figure donne une idée concrète sur un module TOR industriel.

3.2) Automate Modulaire: Par ailleurs, le type modulaire est adaptable à toutes situations. Selon le besoin, des modules d’entrées/sorties analogiques sont disponibles en plus de modules spécialisés tels: PID, BASIC et Langage C, etc. La modularité des API permet un dépannage rapide et une plus grande flexibilité. La figure 3 présente un automate modulaire.

LES MODULAIRES

SCHNEIDER

MODICON M

MOELLER SIEMENS

S7- 1500

4) TSX-micro de Télémécanique

4.1) Présentation

4.2) Grandeurs caractéristiques

Une interface de sortie est caractérisée par :

• le type de signal de sortie (TOR, numérique ou analogique) ;
• le type de sortie à commander (bobine de contacteur, électrovanne, voyant, etc. ).
• la nature de la liaison avec la sortie (nombre de fils).
• tension nominale et d'isolement.

4.3) Liaison réseau

Pour augmenter la productivité des processus, on emploie des automates programmables qui sont montés en réseaux et qui peuvent communiquer avec les réseaux informatiques tels que Ethernet ou Internet; il s'agit des NTIC (nouvelles technologies information et de communication).

4.4) Différents réseaux d'automates

Pour effectuer la gestion des automatismes, il faut établir la communication entre tous les niveaux de production (figure 17) :

• au niveau du poste automatique de production avec le réseau AS-i ;
• par îlots de production, par exemple le réseau MODBUS ;
• de l'ensemble des îlots reliés au réseau informatique avec Ethernet.

Figure 17 : Structure d'un réseau d'automates à différents niveaux

4.5) Principales caractéristiques des liaisons par réseau Les automates sont reliés au réseau par des modules de communication qui sont raccordés au réseau par deux fils et qui constituent le bus:

• le réseau est réalisé par des câbles blindés avec deux fils torsadés ;
• la transmission des informations s'effectue selon une liaison série (RS 232 C ou RS 485) ;
• chaque type de réseau est caractérisé par des règles de transmission ou protocole; par exemple, pour Internet le protocole s'appelle TCP /IP (Transmission Control Protocol/lnternet Protocol) ;
• caractéristiques particulières à chaque réseau: types d'échanges (fichiers, messages, mots, bits) ; capacité du réseau; vitesse de transmission; distance, etc.

Par exemple, pour adresser la 5ème entrée du DCY en partant de la gauche, on définit l’adresse suivante :

 I0.4 indique une adresse de type entrée, 0 , l’adresse d’octet et 4 , l’adresse de bit. Les adresses d’octet et de bit sont toujours séparées par un point. Pour adresser la 3ème sortie, par exemple, on définit l’adresse suivante :  Q0.2 Q indique une adresse de type Sortie, 0 , l’adresse d’octet et 2 , l’adresse de bit. Les adresses d’octet et de bit sont toujours séparées par un point. Remarque : L’adresse du bit de la dixième sortie est un 1 car la numérotation commence à zéro.

b) Bits système: « %Si »

6) GRAFCET

6.1) Définition

Le GRAFCET ( GRA phe F onctionnel de C ommande par E tapes et T ransitions) ou SFC ( S equential F onction C hart) est un outil graphique qui décrit les différents comportements de l'évolution d'un automatisme et établit une correspondance à caractère séquentiel et combinatoire entre :

 Les ENTREES , c'est-à-dire les transferts d'informations de la Partie Opérative vers la Partie Commande,  Les SORTIES , transferts d'informations de la Partie Commande vers la Partie Opérative.

C'est un outil graphique puissant, directement exploitable, car c'est aussi un langage pour la plupart des API existants sur le marché. Lorsque le mot GRAFCET ( en lettre capitale ) est utilisé, il fait référence à l'outil de modélisation. Lorsque le mot grafcet est écrit en minuscule, il fait alors référence à un modèle obtenu à l'aide des règles du GRAFCET. (Exemple : J'ai utilisé le GRAFCET pour concevoir cette machine, jette un coup d'œil sur le grafcet de sécurité et dit moi ce que tu pense )

Le GRAFCET comprend :

 des étapes associées à des actions ;  des transitions associées à des réceptivités ;  des liaisons orientées reliant étapes et transitions.

6.2) Description du GRAFCET

La description du comportement attendu d'un automatisme peut se représenter par un GRAFCET d'un certain « niveau ». La caractérisation du « niveau » du GRAFCET nécessite de prendre en compte trois dimensions :

 Le point de vue , caractérisant le point de vue selon lequel un observateur s'implique dans le fonctionnement du système pour en donner une description. On distingue trois points de vue : o Un point de vue système, o Un point de vue Partie Opérative, o Un point de vue Partie Commande.  La spécifications , caractérisant la nature des spécifications techniques auxquelles doit satisfaire la Partie Commande. On distingue trois groupes de spécifications : o Spécifications fonctionnelles, o Spécifications technologiques, o Spécifications opérationnelles.  La finesse , caractérisant le niveau de détail dans la description du fonctionnement, d'un niveau global (ou macro-représentation) jusqu'au niveau de détail complet où toutes les actions et

informations élémentaires sont prises en compte.

6.3) Les concepts de base du GRAFCET.

6.3.1) Etape

Une étape symbolise un état ou une partie de l'état du système automatisé. L'étape possède deux états possibles : active représentée par un jeton dans l'étape ou inactive. L'étape i, représentée par un carré repéré numériquement, possède ainsi une variable d'état, appelée variable d'étape X i. Cette variable est une variable booléenne valant 1 si l'étape est active, 0 sinon.

La situation initiale d'un système automatisé est indiquée par une étape dite étape initiale et représentée par un carré double.

6.3.5) Classification des actions associées aux étapes

L'action associée à l'étape peut être de 3 types : continue , conditionnelle ou mémorisée. Les actions peuvent être classées en fonction de leur durée par rapport à celle de l'étape.

a) Actions continues :

L'ordre est émis, de façon continue, tant que l'étape, à laquelle il est associé, est active.

b) Actions conditionnelles:

Une action conditionnelle n'est exécutée que si l'étape associée est active et si la condition associée est vraie. Elles peuvent être décomposées en 2 cas particuliers:

b.1 - Action conditionnelle simple : Type C

b.2 - Action retardée : Type D (delay)

Le temps intervient dans cet ordre conditionnel comme condition logique. L'indication du temps s'effectue par la notation générale " t / xi / q " dans laquelle "xi" indique l'étape prise comme origine du temps et "q" est la durée du retard.

Exemple : "t /x6/ 5s" : prendra la valeur logique1, 5s après la dernière activation de l'étape 6.

c) Action maintenue sur plusieurs étapes:

Afin de maintenir la continuité d'une action sur plusieurs étapes, il est possible de répéter l'ordre continu relatif à cette action, dans toutes les étapes concernées ou d'utiliser une description sous forme de séquences simultanées ( Les séquences simultanées seront traitées ultérieurement ).

d) Action mémorisée :

Le maintien d'un ordre, sur la durée d'activation de plusieurs étapes consécutives, peut également être obtenu par la mémorisation de l'action, obtenue par l'utilisation d'une fonction auxiliaire appelée fonction mémoire.

Cette fonction pourra être décrite par un GRAFCET

6.5.2) Saut d’étapes et reprise de séquence

Le saut d'étapes permet de sauter une ou plusieurs étapes lorsque les actions associées sont inutiles à réaliser, La reprise de séquence (ou boucle) permet de reprendre, une ou plusieurs fois, une séquence tant qu'une condition n'est pas obtenue.

6.5.3) Aiguillage entre deux ou plusieurs séquences (Divergence en OU)

On dit qu'il y a Aiguillage ou divergence en OU lorsque le grafcet se décompose en deux ou plusieurs séquences selon un choix conditionnel. Comme la divergence en OU on rencontre aussi la convergence en OU. On dit qu'il y a convergence en OU, lorsque deux ou plusieurs séquences du grafcet converge vers une seule séquence.

Si les deux conditions a et d sont à 1 simultanément, les étapes 2 et 4 vont devenir actives simultanément, situation non voulue par le concepteur. Donc elles doivent être des conditions exclusives

6.5.4) Parallélisme entre deux ou plusieurs séquences (ou séquences simultanées divergence convergence en ET) :

Au contraire de l'aiguillage où ne peut se dérouler qu'une seule activité à la fois, On dit qu'on se trouve en présence d'un parallélisme structurel, si plusieurs activités indépendantes pouvant se dérouler en parallèle. Le début d'une divergence en ET et la fin d'une convergence en ET d'un parallélisme structurel sont représentés par deux traits parallèles.

La synchronisation permet d'attendre la fin de plusieurs activités se déroulant en parallèle.

6.6) Mise en équation d'un GRAFCET : Conversion du GRAFCET au LADDER

6.6.1) Règle générale : Pour qu'une étape soit activée il faut que :  L'étape immédiatement précédente soit active ;  La réceptivité immédiatement précédente soit vraie ;  L'étape immédiatement suivante soit non active ;  Après activation l'étape mémorise sont état.

7.2) Les Éléments du langage

a) Les Eléments de test (zone « test »)

b) Les Eléments d’action

7.3) Blocs prédéfinies a) Temporisateur

Détection interne d’un front en IN => instruction pilote « -| |- » correcte

b) Bloc compteur

6) Niveaux de GRAFCET :

a-GRAFCET niveau 1 : il définit le cycle à réaliser sans tenir compte des solutions technologiques, c’est une représentation fonctionnelle du cahier des charges. b- GRAFCET niveau 2 :en plus des exigences fonctionnelles cette représentation tient compte du coté technologique des organes utilisés (boutons poussoirs, capteurs…).

a) Mémoire d’étape Afin de respecter les règles d’évolution du GRAFCET, chaque étape peut être matérialisée par une mémoire du type marche prioritaire possédant une structure de la forme