API_GSI

1E/S pour API - P. Bonnet - 2011/2012

INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

E/S POUR API


Systme numrique destin tre utilis dans un environnement industriel :

DEFINITION DUN AUTOMATE PROGRAMMABLEselon norme IEC 61131-1

Fonctions spcifiques dites mtier : - logique- mise en squence- temporisation- comptage- calcul arithmtique

Commande du processus au moyen dentres et de sorties Tout-ou-Rien ou Analogiques

Intgration facile dans un systme dautomatisme industriel et utilisation facile des fonctions prvues

Excute des activits dfinies par l'utilisateur sous forme de programme crit dans un langage textuel ou graphique



DEFINITION DUN AUTOMATE PROGRAMMABLE

Heater band

Acidic reagent

Alkali reagent

Harvest valve

pH sensor

Temperaturesensor

Feed valve

AgitatorFermentation Process




Fermentation Process

Les fonctions du systme de contrle/commande sont :

des fonctions logiques [squentielles]: - remplir la cuve (dure, volume, niveau...), la vidanger - agiter la solution, mettre le chauffage ...

des fonctions de rgulation :- rguler la temprature autour de la consigne- rguler le pH de la cuve

des fonctions de surveillance :- dbordement de cuve,excs de temprature, de pH- drive du processus de fermentation

des fonctions de production:- calculer le point d'arrt de la fermentation...

des fonctions de communication :- dialogue oprateur (cran IHM)- dialogue rseau avec les autres entits informatiques




Un automate est un systme informatique spcialis :

- fonctionnement en temps rel : l'chelle de temps est de l'ordre de 1 100 ms

- fonctionnement multitche en temps partag : toutes les activits fonctionnent simultanment

- interaction avec les lments matriels du processus + prise en compte de signaux lectriques --> entres+ envoi de signaux lectriques ralisant des actions sur le processus --> sorties

- fonctionnement en rseau [application rpartie, entres/sorties distantes, capteurs et actionneurs intelligents]

- fonctionnement sr (garanti par une norme)


FONCTIONS DUN AUTOMATE PROGRAMMABLE

Unit centrale

Alimentation Moduleentressortiessimples

Moduleentressorties

spcialises

Rack

Prise Console

CouplageRseau

de Terrain

Voyants de contrle

Prise Communication


Lautomate doit remplir deux fonctions :

un rle de commande en laborant des actions selon un algorithme appropri,

partir des informations fournies par les dtecteurs (Tout-ou-Rien) et les

capteurs (analogiques ou numriques)


un rle de communication dans le cadre de lexploitation avec :- loprateur humain (dialogue homme-machine par IHM)

- les autres processeurs hirarchiquement suprieurs

(calculateurs de gestion de production)

- les processeurs de rang gaux (rpartition du contrle dune

application sur plusieurs automates

- les lments de rang infrieur (instrumentation intelligente)



E/S du processus automatisConsole de mise au point

Dialogue oprateurOutil de dveloppement

Vers autresautomates



Dialogue et supervision

Machine 1 :magasin-tour

Machine 2 :transfert

Machine 3 :gravure

Machine 4 :peinture

Rseau local

Dialogue oprateur

Supervision



Systme automatis structure hirarchise



Les variables internes peuvent tre utilises en criture et en lecture par le programmeur de l'automate. Elles servent stocker des valeurs utiles la ralisation du programme.

Dialogue externe (IHM, console,

rseau)


FONCTIONS DUN AUTOMATE PROGRAMMABLEActivit logicielle dun automate

en mode stop, lautomate programmable reste actif

- seule lexcution des tches (logique, grafcet) est suspendue - les fonctions rseau restent actives (change avec les autres automates, surveillances des E/S ...)

le Traitement est excut selon les instructions dfinies par le programmeur

un automate est en permanence en activit ds sa mise sous tension



Activit logicielle dun automate

tude du chronogramme des signaux externes et internes, analyse de la synchronisation

notion de machine d'tat (Mealy)



Activit logicielle dun automate: exemple du Grafcet

Rgle de franchissement du graphe :

-une transition est valide si toutes les tapes immdiatement prcdentes relies la transition sont actives

-la transition est franchie si la transition est valide ET si la rceptivit associ la transition est vraie

- le franchissement de la transition provoque simultanment l'activation de la ou les tapes suivantes et la dsactivation des tapes prcdentes.

- si une tape doit tre simultanment active et dsactive, elle reste active

- plusieurs transitions simultanment franchissables sont simultanment franchies

X2

X3

Transition T1

X1X1

Transition T2

action1

action2

action3

la "simultanit" matrielle est impossible sur l'automate!

l'excution est donc diffrente du principe! interprtation du Grafcet



E/S POUR API


binaireboolen , vrai/faux , case cocher , bouton bascule , Tout ou Rien TOR

numrique Sous-ensemble de N , nibble (entier 4bits) , Octet ou caractre (entier 8bits) , Mot (entier 16 bits), MotDouble (entier 32 bits)

numrique sign ou entier relatif Complment 2

numrique codBCD, binaire rflchi , code de GrayFlottant

Variables: la forme numrique ou discrte ensemble de dfinition discret

Exemples : bouton poussoir , voyant signalisation afficheur 7 segments , compteur , roues codeuses

x Z

x N

x {0 , 1 }



grandeur unipolaire signal positif

grandeur bipolairesignal sign (tension ou courant)dcalage de la grandeur (bipolar offset)

Variables : la forme analogique variation continue dans l'espace de dfinition (type rel)

Exemples : rsistance , temprature , tension , courant

x R+

Les signaux analogiques sont convertis en signaux numriques


x R


Bits : Mots 16bits: %IXxxx entre TOR %IWxxx mot entre %QXxxx sortie TOR %QWxxx mot sortie %MXxxx bit interne %MWxxx mot interne %SXxxx bit systme %SWxxx mot systme

%KWxxx mot constantMots 32bits: %MDxxx mot interne 32 bits %MFxxx mot interne flottant 32 bits

Attention: il existe de nombreuses autres variables et des variantes de la syntaxe normalise


Variables : Notation normalises CEI 61131 des variables

Les outils de dveloppement permettent d'affecter un nom symbolique chacune des variables physique de l'automate; cette possibilit amliore la lisibilit d'une application et permet de modifier l'affectation des E/S sans modifier le programme


Notation normalises IEC 61131 des variables sur un automate : Adressage variable:

Ladresse variable xxx est structure pour tenir compte de la structure matrielle de lautomate

= [rseau]...

Exemple : %IX0.3.5 entre TOR n5 du module dentre 3 sur le chassis 0



SFC Sequential Function Chart ou Sequential Flow Chart langage de type Grafcet ou organigramme permettant la programmation aise des systmes squentiels

FBD Functions Blocks Diagram ou Schma-Bloc reprsentation graphique de fonctions logiques ou de fonctions quelconques LD Ladder Diagram ou Diagramme en Echelle reprsentation graphique des quations boolennes, avec possibilit d'insertion de blocs FB . Langage le plus courant

ST Structured Text langage textuel permettant d'crire toute type de fonctionnalit (squentielle ou non) . Remplac par le langage C sur les automates les plus puissants.

IL Intruction List Langage textuel de bas niveau de type assembleur (une instruction par ligne)

Langages normalises IEC 61131-3 sur automate :



POU Program Organisation Unit

Chaque partie de programme s'appelle un POU . Le langage d'un POU est dfini par l'utilisateur en fonction de ses habitudes et de la facilit exprimer le problme.

Hirarchie des POUs : 3 sections ou groupes principaux - Programmes reprsentant des oprations squentielles ou cycliques

- Fonctions pouvant tre appeles depuis n'importe quel autre programme. Une fonction peut appeler d'autres fonctions. Une fonction retourne une valeur.

- Blocs fonctionnels ou Function_Blocks pouvant tre appeles depuis n'importe quel autre programme. Un bloc-fonction peut appeler d'autres bloc-fonctions. Un bloc-fonction peut ne pas retourner de valeur (procdure).

Langages normalises IEC 61131-3 sur automate :



Accs logiciel aux grandeurs Boolennes:

Langage IL...LD %X11AND %M0AND N %I1.1OR N %I1.2ST %M2ST %Q2.0LD %M2AND %M1R %M2....

Langage ST....IF (%X11 AND %M0 AND NOT(%I1.1)) OR (NOT(%I1.2)) THEN

%Q2.0 := TRUE ;IF %M1 THEN

RESET %M2 ;END_IF

ELSE%Q2.0:= FALSE ;

END_IF.......



Accs logiciel aux grandeurs Numriques:

Langage IL...LD %I1.0OR [%MW3>100]

MPS[%MW5:=%MW1+%MW2]

MPPIN %TM1

LD %TM1.QST %Q2.3....

Langage ST....IF %I1.0 OR (%MW3>100) THEN

%MW5 := %MW1 + %MW2 ;START %TM1;

END_IF%Q2.3 := %TM1.Q ;....



Exemple de dfinition d'une fonction_block

up/down count

Counter

le compteur est incrment ou dcrment chaque appel de la fonction




Activation des sorties en SFCN Non-stored The action is active as long as the step

R Reset The action is deactivated (overriding a time limited activation)

S Set (Stored) The action is activated and remains active until a Reset

L time Limited The action is activated for a certain time, maximum as long as the step is active

D time Delayed The action becomes active after a certain time if the step is still active and then it remains active as long as the step is active. P Pulse The action is executed just one time if the step is active SD Stored and Delayed The action is activated after a certain time and remains active until a Reset DS Delayed and Stored The action is activated after a certain time as long as the step is still

active and remains active up to a Reset SL Stored and time limited The action is activated for a certain time

The qualifiers L, D, SD, DS and SL need a time value in the TIME constant format



E/S POUR API


LES MODULES E/S TOR

Mmorisation des sorties Lecture au vol des entres


LES MODULES E/S TOR

Sortie sur plusieurs mots

Non-synchronisme des actions sur le processus


LES MODULES E/S TOR

Structure de sortie double-buffer

Synchronisation matrielle des sorties


LES MODULES E/S TOR

Lecture et mmorisation synchrone des Entres

Structure dentre avec mmoires tampons


LES MODULES E/S TOR

Cycle Lecture/criture des E/S

temps de cycle usuel : 1 5 ms

un temps maximum est allou par lutilisateur. Le dpassement du temps maximum est considr comme une anomalie de fonctionnement


LES MODULES E/S TOR

Structure du watch-dog

Labsence de ractivation du chien de garde provoque la remise zro / le repli / le gel des sorties et une signalisation externe de la dfaillance


LES MODULES E/S TOR

Autres fonctions sur TOR : Filtrage Le filtrage limine les rebonds des entres et vite les erreurs dinterprtation de la valeur dune variable dans une cascade utilisant %IXn puis not(%IXn)

Repli/Gel:

Une valeur est affecte chaque sortie TOR lorsque lautomate passe en mode STOPou en cas de dtection derreur. Celle valeur peut tre 0, 1 ou Maintien de la valeur de sortie

Forage:

Le forage dune entre ou dune sortie est accessible dans la phase mise au point du programme de lautomate.



E/S POUR API


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entres :

cas des sources de tension

fonctionnement dit en logique positive


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entres :

cas des contacts secs


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entres : cas des capteurs statiques

PNP NPN

logique positive logique ngative

couplage lectrique entre les entres et lautomate


LES MODULES E/S TOR

Connexion des sorties : sorties relais

Isolation entre lautomate et les sorties


LES MODULES E/S TOR

Connexion des sorties : sorties statiques

PNP

NPN


LES MODULES E/S ANALOGIQUES

pour un signal analogique reprsent par un nombre binaire, la plus petite variation correspond au changement de valeur du bit de poids le plus faible LSB (Least Significant Bit)

Entres analogiques :


LES MODULES E/S ANALOGIQUESEntres analogiques :

La valeur analogique est quantifie avec une incertitude de LSB 12



exemple : signal cod sur 12 bits soit une dynamique de 0 212-1 une variation de 1 pas correspond une prcision relative de

1/4096 soit 0,025%


le nombre de bits du convertisseur sera choisi en fonction de la prcision demande



Les signaux analogiques sont convertis en signaux numriques


%IWxx.0%IWxx.1%IWxx.2%IWxx.3

%QWxx.0%QXxx.1....

entres multiplexes




%IWxx.0%IWxx.1

%QWxx.0%QXxx.1....

entres parallles



Sorties analogiques :

%QWxx.0%QWxx.1%QWxx.2....

sorties paralllesRfrence de tension



Sorties analogiques :

sorties dmultiplexes

%QWxx.0%QWxx.1%QWxx.2....


ISOLATION DES ENTREES/SORTIES

Ncessit de lisolation :


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entres : entres opto-couples

isolation galvanique entre lentre et lautomate entre les entres

lisolation implique une source dalimentation pour chaque structure isole


Modules isols pour entres TOR :



Isolation des Entres analogiques :



Isolation des Sorties analogiques :

%QWxx.0....

%QXxx.0....




E/S POUR API


LES MODULES Entre Comptage/Dcomptage

Fonction ddie au Signal numrique incrmental La valeur numrique est lintgration des incrments

Exemple: Comptage des impulsions dune roue dente



Cas du codeur incrmental La valeur numrique est lintgration signe des impulsions reues



Cas du codeur incrmental Dcodage



Structure dun module comptage/dcomptage



E/S POUR API


Actionneurs TOR Lactionneur possde 2 tats : actif ou inactif

exemple :allumage dun voyant, dclenchement dune sirne, mise en marche dun chauffage, ouverture dune lectrovanne, dplacement dun vrin, avance continue dun tapis...

Actionneur proportionnel Laction est proportionnelle au signal de commande

exemple : ouverture dune vanne, rglage de la puissance dun chauffage, rglage dune pression, contrle de langle dun rotor...

Signal de commande

Source dEnergie

ACTION

Action Transformation du signal de commande en une grandeur physique dun autre nature

ACTIONNEURS


Chane dAction : Ensemble des lments qui permettent d'obtenir une action

ACTIONNEURS


Chane dAction: Practionneur :

Constituant de gestion d'nergie qui, sur ordre de la commande, distribue une nergie disponible vers un actionneur (ex : relais, distributeur, hacheur)

Actionneur : Objet technique qui convertit une nergie de puissance d'entre en nergie de sortie utilisable pour obtenir une action dfinie. (ex : vrin, moteur)

Effecteur : Ensemble de constituants qui convertit l'nergie reue de l'actionneur pour l'adapter leffet demand sur le processus. (ex : rducteur, tapis roulant, bras )

ACTIONNEURS


PREACTIONNEURS

Relais lectromcanique

Commutation Tout ou Rien de la source dnergie

Relais statique


PREACTIONNEURS


Cascade de pr-actionneurs

+


Relais statique isolation galvanique


PREACTIONNEURS


PREACTIONNEURS


Cascade de pr-actionneurs

lectrovanne

+


Principe de la Modulation de Largeur dimpulsion MLI/PWM

Modulation de la source dnergie

MODULATION DE LA COMMANDE


Modulation de la source dnergie

Grandeurs caractristiques: priode T frquence F = 1/T rapport cyclique

Dtection de labsence de signal

valuation des temps par simple comptage

=T 1

T 1 T 2



Modulation de la source dnergiePrcision de mesure

Erreur sur front

E rreur sur dure

Erreur sur priode



Applications: contrle de la luminosit dun voyant, modulation dun chauffage faible puissance, dune enceinte thermostate

Modulation de la source dnergie sur charge rsistive

PR =1T 0

T

pR t dt

= 1T 0

T 1

Pmaxdt

PR = Pmax La relation puissance/rapport cyclique est linaire, indpendante de la priode

PR

Pmax



Modulation de la source dnergie sur charge selfique (bobine)



Modulation de la source dnergie sur charge selfique (bobine)

Imoyen = Imax Le courant moyen suit la loi de commande (pour les courants forts)

l ondulation rsiduelle dpend des paramtres du systme :- frquence du hacheur- tension dalimentation- valeur de la self-inductance et de la rsistance de la charge

la force exerce par la bobine est proportionnelle langle de commande


74E/S pour API - P. Bonnet - 2011/2012Actionneurs Pierre BONNET

Application la commande dune vanne proportionnelle

londulation rsiduelle permet de limiter leffet dhystrsis



Vrification de lexcution de la commande limination des erreurs de linarit ou dhystrsis Possibilit dintroduire une non-linarit voulue dans la commande

Principe

ASSERVISSEMENT DUN (PRE)ACTIONNEUR


La position du tiroir est mesure par un capteur interne Pas de mesure relle du dbit Lappareil prend le nom de servovalve de contrle de dbit

Exemple: rgulateur de dbit

ASSERVISSEMENT DUN PREACTIONNEUR


Mesure relle de la pression par un capteur externe La pression mesure sert de feedback au rgulateur Lappareil prend le nom de servovalve de contrle de pression

Exemple: rgulateur de pression

ASSERVISSEMENT DUN (PRE)ACTIONNEUR


Mesure relle du dbit ou de la pression

Exemple: Servovanne commande pneumatique

ASSERVISSEMENT DUN ACTIONNEUR


Mise en place facilite (loi de correction simplifie)

Servo-vanne: usage en rgulation cascade

ASSERVISSEMENT DUN ACTIONNEUR


Modulation directe du secteur sur charge rsistive

ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF


Modulation directe du secteur

La puissance dlivre est strictement proportionnelle au rapport cyclique

Pas de perturbation harmonique du rseau

La puissance utilise est trs infrieure la puissance maximale instantane

La puissance est fluctuante moyen terme (perturbation des systmes faible inertie)

Doc: Chauvin Arnould



Modulation par angle de phase

Ajustement trs prcisde la puissance

Adapt aux charges selfiques (bobines, transformateurs)

La relation rapport cyclique/puissance nest pas linaire

Le principe est gnrateur dharmoniques sur le rseau




Synchronisation des contrleurs





Modulation directe du secteur

ACTIONNEURS THERMIQUES


Principe fondamental de la dynamique

ACTIONNEURS MECANIQUES

Lentranement dune charge mcanique impose de matriser la loi dacclration donc la force ou le couple du moteur

Lapplication dune force une masse en translation provoque sa mise en mouvement

Lapplication dun couple une inertie en translation provoque sa mise en rotation

M x = Forces Motrices Forces Rsistantes

J = Couples Moteurs Couples Rsistants


Dplacement par contrle de lacclration



Effet dune discontinuit dacclration



Effet dune discontinuit dacclration


M


Exemple de commande daxe : Module Premium SchneiderACTIONNEURS MECANIQUES

Source: Schneider Electric


Exemple de commande daxe : Sercos Axis Full Servo LoopACTIONNEURS MECANIQUES

Source: Schneider Electric

Diapo 1Diapo 2Diapo 3Diapo 4Diapo 5Diapo 6Diapo 7Diapo 8Diapo 9Diapo 10Diapo 11Diapo 12Diapo 13Diapo 14Diapo 15Diapo 16Diapo 17Diapo 18Diapo 19Diapo 20Diapo 21Diapo 22Diapo 23Diapo 24Diapo 25Diapo 26Diapo 27Diapo 28Diapo 29Diapo 30Diapo 31Diapo 32Diapo 33Diapo 34Diapo 35Diapo 36Diapo 37Diapo 38Diapo 39Diapo 40Diapo 41Diapo 42Diapo 43Diapo 44Diapo 45Diapo 46Diapo 47Diapo 48Diapo 49Diapo 50Diapo 51Diapo 52Diapo 53Diapo 54Diapo 55Diapo 56Diapo 57Diapo 58Diapo 59Diapo 60Diapo 61Diapo 62Diapo 63Diapo 64Diapo 65Diapo 66Diapo 67Diapo 68Diapo 69Diapo 70Diapo 71Diapo 72Diapo 73Diapo 74Diapo 75Diapo 76Diapo 77Diapo 78Diapo 79Diapo 80Diapo 81Diapo 82Diapo 83Diapo 84Diapo 85Diapo 86Diapo 87Diapo 88Diapo 89Diapo 90

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