Chapitre 2

Chapitre 2: Structures des

Automates Programmables

Pierre Duysinx

Universit de Lige

1

Rle dun automate

On distingue

La partie oprative = processus et la machine physique

La partie commande = lautomatisme et le systme programm

Entres = capteurs

Fin de courses, dtecteurs de prsences, etc.)

Sorties = actionneurs

Contacteurs, relais, commandes de vanne, robots, etc.

Actuateurs

Sorties

Capteurs

Entres

PROCESSUS

AUTOMATE

PARTIE OPERATIVE

PARTIE COMMANDE

OPERATEUR

Loi de commande logique

2

Rle dun automate

Le rle dun automate est de ragir aux changements dtat de ses entres en modifiant ltat de ses sorties selon une loi de contrle dtermine a priori.

On distingue

Programme combinatoire: chaque instant, les sorties sont

dtermines uniquement par les entres (pas deffet mmoire)

Programme squentiel: les sorties sont dtermines par les entres et

un nombre fini de variables logiques internes tenant compte de

lvolution du systme

3

Logique cble

Ralisation de la loi de contrle en interconnectant judicieusement

des oprateurs matriels (lectriques, pneumatiques, hydrauliques)

ralisant des fonctions logiques de base.

Oprateurs logiques de base

AND, OR, NOT

NAND, NOR

Relais normalement ouvert / normalement ferm

4

Exemple

O1 I1 I2) I3 I4 I5 := (( NOT AND OR ) AND ( OR )

O1 I2 I3 I4 I5 = ( . + ) . ( + )I1

Solution relais

Exemple de fonction logique combinatoire

Oprateurs disponibles

Relais normalementouvert

Relais normalementferm

Ralisation de la fonction

Reprsentation symbolique

I1

I1

-V +V

I2

I2

I4

I4

O1

O1

I3

I3

I5

I5

5

Logique programme

Ide de la logique programme = nutiliser quun seul jeu doprateurs de base (unit logique) permettant de raliser nimporte quelle fonction logique donne par combinaison

Excution squentielle des oprations logiques lmentaires

Ncessit dun balayage des oprations une cadence suffisamment rapide pour donner lillusion dune excution parallle et du caractre instantan de lvaluation.

La manire de balayer est dcrite par une suite dinstructions mmorises c.--d. un programme

6

Exemple

O1 I1 I2) I3 I4 I5 := (( NOT AND OR ) AND ( OR )

O1 I2 I3 I4 I5 = ( . + ) . ( + )I1

Solution lectronique:


Oprateurs disponibles

NOT xx ANDx

yx.y OR

x

yx+y

Inversionlogique

ET logique OU logique

Ralisation de la fonction

NOT

AND

AND

OR

OR

I1

O1

I2

I3

I4

I5

7

Logique cble v.s. programme

Logique cble:

Inconvnients:

Volume du contrleur proportionnel la complexit du

problme

Des modifications de la commande implique des modifications

de cblage

Avantages:

Vitesse, car fonctionnement simultan des oprateurs

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Logique cble v.s. programme

Logique programme

Avantages

Uniformisation du matriel: mme matriel quel que soit la fonction

logique raliser

Facilit de modification de la loi de contrle: il suffit de modifier le

programme. Simplification de la maintenance!

Faible liaison entre le volume matriel et la complexit du problme

(effet simplement sur les entres / sorties et taille mmoire)

Inconvnients:

Vitesse inversement proportionnelle la complexit du problme.

Ceci peut tre une limitation pour des processus lectromcaniques

rapides

9

Structure fonctionnelle du processeur dun

automate programmable

LUNITE LOGIQUE

Comporte 3 oprateurs

logiques de base

(AND/OR/NOT)

Associe une mmoire de

bistables (bits) utilises pour la

mmorisation dinformations squentielles et le stockage de

rsultats intermdiaires

Une srie de slecteurs pour

mettre en communication les

oprateurs logiques, les

entres, les sorties et les

mmoires.

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ACCUMULATEUR LOGIQUE

Une cellule de mmoire

particulire intervenant de

manire privilgie dans les

oprations logiques

Constitue une oprande

oblige des oprateurs AND,

OR

Sert au stockage du rsultat

obtenu par lopration logique

11



UNITE DE CONTROLE

Gre le fonctionnement de

lensemble sous le contrle des instructions stockes dans

le programme

Les instructions sont menes

successivement dans le

registre dinstruction, puis sont dcodes et en fonction des

oprations quelles indiquent, lunit de commande engendrent des ordres

ncessaires leur excution

Excution squentielle et

cyclique du programme

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FORMAT DES INSTRUCTIONS

Doit fournir toutes les indications

ncessaires lexcution de lopration

Utilisation dun bit formant un mot

Exemple de format dinstruction

Inversion de loprande

Code opration

Trois types doprandes %I (entre), %Q (sortie), %M

(mmoire)

Adresse de loprande

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

NOT TYPE

CODE OPERATEUR ADDRESSE

SYMBOLES

Dir/Inv

N 1 Inversion logique

0 Utilisation directe

Type

I 0 1 Entre

O 1 0 Sortie

M 1 1 Mmoire

Fonction

AND 0 0 0 1 AND avec l'accumulateur

OR 0 0 1 0 OR avec l'accumulateur

LD 0 0 1 1 Charger l'oprande dans l'ACCU

ST 0 1 0 0 Placer l'ACCU dans l'oprande

RET 0 0 0 0 Boucler la premire instruction

13

Exemple O1 I1 I2) I3 I4 I5 := (( NOT AND OR ) AND ( OR )


NOT

AND

AND

OR

OR

I1

O1

I2

I3

I4

I5Solution programme

1 LDN I1

2 AND I23 OR I34 ST M15 LD I46 OR I57 AND M18 ST O19 RET

mettre I1 invers dans l'ACCU

ET entre ACCU et I2 (rsultat dans ACCU)

OU entre ACCU et I3 (rsultat dans ACCU)

sauver ACCU dans mmoire M1

mettre I4 dans ACCU

OU entre ACCU et I5 (rsultat dans ACCU)

ET entre ACCU et M1(rsultat dans ACCU)

mettre la valeur de l'ACCU dans la sortie O1

boucler sur l'instruction n 1

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Le langage machine

= configuration de 0 et de 1

Le langage de programmation

Liste dinstructions

Proche de raisonnement de

lautomaticien

Excution cyclique du programme

Lecture des cartes

d'entres et mise jour

de la table image des

entres

TRAITEMENTS

Envoi de la table

image des sorties vers

les cartes de sorties

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Structure dun automate programmable

ALI

M

ENTATI

ON

PROCESSEUR

CARTES D'ENTREES

SORTIES

PC dePROGRA MMATION

Alimentation

220 VAC 24 VDC

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Structure dun automate programmable

17

Technologie de ralisation

BUS DCHANGE

On constate que:

Les changes dinformations entre les diffrents lments de lautomates (entres, sorties, mmoires) transitent toujours par le processeur

A cause du fonctionnement squentiel, il ny a jamais quun seul lment la fois en communication avec le processeur

Il est possible dutiliser un chemin commun et une procdure commune pour les changes. Celui-ci est appel BUS.

Le BUS est constitu de lignes dadresse, de lignes de donnes et de lignes de contrle

Lautomate programmable adopte ainsi la structure typique dun ordinateur.

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Technologie de ralisation

BUS

PROCESSUS

ADRESSES

DONNEES

CONTROLE

Proces-seur

MEMFonct.Spc.

Entreslogiques

Sortieslogiques

Entresanalog.

Sortiesanalog.

Rseau terrain

Ext.BUS

Rseaucellule

Vers PCprogr.

W. Dog

AlarmeCellule 1

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Processeur

La logique programme repose sur le microprocesseur

Un jeu dinstructions se traduit par un jeu de sous-routines crites dans le langage machine. Ce jeu de sous-routines est le logiciel

systme et est stock dans la mmoire systme de lautomate

Utilisation de microprocesseurs standards

Inconvnients:

Les microprocesseurs utiliss sont prvus pour travailler sur des mots et

pas des bits, ce qui pnalise le temps dexcution

Avantages

Vitesses de traitement importantes

Facilit dimplmentation

Solution conomique

Ouvre la porte toute espce dextension du jeu dinstructions

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Processeur

Structure dune carte processeur moderne:

Un micro-processeur standard

utilis pour les fonctionnalits

additionnelles (arithmtiques)

Un circuit ASIC (Application

Specific Integrated Circuit)

pour les traitements purement

logiques

Un processeur pour la prise en

charge des communications

vers la console et les rseaux

informatiques

Processeur de

communication(microprocesseur)

Processeur de mots(microprocesseur)

Processeur de bits

(ASIC)

21

Mmoires

Utilisation de mmoires semi-

conducteurs

Donnes: RAM (Random Access

Memory) mmoire vive

Lecture / criture

Perte dinformation en cas de coupure dalimentation

Technique CMOS (faibles

consommation)

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Mmoires

Programme:

La mmoire doit pouvoir subir sans

dommage les coupures de courant

EPROM (Erasable Programmable Read

Only Memory)

Programm et effac aprs exposition aux

UV

EEPROM (Electrically )

Effacement par voie lectrique in situ

RAM gardes

Systmes:

EPROM ou PROM

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Modules dentres / sorties industriels

Modules ralisant linterface entre les signaux du processus (vers actionneurs ou venant des capteurs) et les signaux du bus interne

de lautomate

Fonctions:

Dcouplage mcanique (bornier)

Dcouplage lectrique entre les signaux du processus et llectronique PLC

Synchronisation des transferts conformment aux procdures dchange du BUS du PLC

Entres / sorties

Logiques

Analogiques pour les PLC qui le permettent

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Modules dentres / sorties industrielles

Adaptation

de niveau

Ecrtage

Visualisation

d'tat

Filtrage

Isolation

galvanique

Discrimination

de seuil

Signaux de processus:

24, 48 V (CC ou AC)110, 220 V (AC)

Signaux lectroniques:

5 V (CC)

25

Fonctions spciales

En utilisant des microprocesseurs standards pour les automates,

ces derniers sont capables de prendre en charge toute espce de

fonctions spciales:

Arithmtiques

Rgulation PID

Commande daxes

Comptage rapide

Carte Web

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Technologie de ralisation (rappel)

BUS

PROCESSUS

ADRESSES

DONNEES

CONTROLE

Proces-seur

MEMFonct.Spc.

Entreslogiques

Sortieslogiques

Entresanalog.

Sortiesanalog.

Rseau terrain

Ext.BUS

Rseaucellule

Vers PCprogr.

W. Dog

AlarmeCellule 1

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Modules de couplage

Modules qui permettent de connecter lautomate dautres systmes de traitement et de travailler dans le contexte de signaux

informatiques (pas industriels)

Console de programmation et de test

Coupleurs avec la console de programmation

Extension de bus

Etendre le bus de lautomate pour des configurations multi-chssis (longueur limite)

Communications

Communications distance par lignes srie (tlphoniques, coaxes,

fibres optiques)

Dcentralisation des entres / sorties

Dcentraliser des chssis entres / sorties industrielles sur des

distances importantes (ordre du km)

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Rgulateur PID

Le rgulateur PID ouvre la porte un grand nombre de contrles de processus continus et rpond la plupart des cas de rgulation industrielle

Signal de commande:

Terme (P) proportionnel lerreur Terme intgral (I) afin dannuler lerreur statique Terme driv (D) proportionnel aux variations de lerreur qui ralise une

anticipation

+

-

s e c m Rgulateur

PID PROCESSUS

Commande Mesure Consigne

e = s m

dt

deTedt

T

1eKc d

i

29

Rgulateur PID

Algorithme PID

Approximation discrte pour les contrleurs digitaux

Mise en uvre = choix de K, Ti, Td

dt

deTedt

T

1eKc d

i

1nndn

0j

j

i

nn eeT

Te

T

TeKc

30

Rgulateur PID

Programmation en langage automate possible, mais fastidieuse

Fonctions annexes (passage manuel / auto, contrle terme intgral,

rgulateurs en cascade, contrle de lerreur) difficiles programmer

Mise en uvre informatique

Programmation du rgulateur en langage informatique

Charge exagre du processeur

Solution multiprocesseur

Carte PID

Programmation laide de la console

Choix doptions prvues par le constructeur

31

Rgulateur PID

Structure de principe du rgulateur PID

(Source SIEMENS) 32

Rgulateur PID

Structure dtaille du rgulateur PID

(Source SIEMENS) 33

Commande daxe

Le position dun mobile le long dun axe: machine de dcoupe, demballage, lignes de transfert, de manutention

Commande assez facile standardiser

Position mesure par un codeur incrmental (train dimpulsions rapides): une carte de comptage

Contrle de lenchanement des mouvements usuels

34

Commande daxe

Principe de fonctionnement dune commande daxe

Asservissement en position (gain en position Kp)

Asservissement en vitesse assure par un dispositif extrieur, le variateur (gain en vitesse Kv)

Limitations dacclrations

Jeu dinstructions simple et complet pour dcrire les trajectoires, les enchaner et assurer la coordination avec le processeur

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Commande daxe

Programmation

Instructions de dplacement

Jusqu une position darrt ou sans arrt

Positions fixes, avec apprentissage, communiques en temps rels

Organisation des mouvements

Appel des sous routines

Sauts conditionnels ou inconditionnels

Attente dvnement

Gestion des paramtres

Calcul, affectation de valeurs de position

Programmation d'une commande d'axe

a. Dplacements

b. Organisation des mouvements

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Commande daxe

Terminaux dexploitation adjoints aux commandes daxe

Objet

Slection des modes de marche

Mode de mise au point

Modification des paramtres

Apprentissage des positions, prise de lorigine

Test des programmes

Fonctionnement automatique

Visualisation des paramtres et du programme

Observation des dplacements : position et vitesse

Commande d'axe. Exemple de

terminal d'exploitation

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Modules de surveillance et de contrle

Modules chargs de surveiller et de contrler le bon fonctionnement

du matriel et du logiciel

Fonction de chien de garde (watch dog) qui contrle le cycle de

lautomate

Principe:

Obliger lautomate envoyer chaque cycle une impulsion au systme de surveillance

Vrifier que le temps entre 2 impulsions ne dpasse pas une limite

Dtecter ainsi une panne de processeur, un bouclage intempestif

38

Dispositifs

de scurit

Systme watch dog

39

Dispositifs de scurit

SURVEILLANCE DALIMENTATION

Assurer le comportement dtermin du calculateur en cas de coupure

dalimentation ou de microcoupure du rseau et de remise sous tension

Coupure de tension power fail

Comportement du systme informatique alatoire

Tampons dnergie grce au filtrage pour prendre en minimum de mesures de sauvegarde

Lorsque le systme dtecte une variation de la tension du rseau (par

ex -10%), flag power valid est mis 0

Le processeur dispose dun temps T1 pour faire un certain nombre de sauvetages dans une mmoire non volatile et sarrter spontanment

40


Exemple de squence de coupure et rtablissement du rseau 41


SURVEILLANCE DALIMENTATION

Remise sous tension power restart

Systme de surveillance dtecte le rtablissement des alimentations

Aprs un dlais T2 le signal power valid est remis 1

La routine dinterruption restaure le systme au moment de la coupure et reprend le traitement au point o on la abandonn

Autres scnarios possibles sur la base des deux interruptions

engendres par power valid

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Soft PLC

Dveloppement des PC et

apparition des systmes

dexploitation multitches (Win NT)

Tche excute sous

Windows simulant le

fonctionnement dun automate programmable

Priorit leve pour obtenir un

temps de cycle aussi constant

que possible (quelques ms)

Mise en oeuvre des langages

classiques

P

ASIC

P

Slot PLC

BUS de terrainvers le processus

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Soft PLC

Pour les PC pas de cartes

entres sorties industrielles

contourner le problme avec

des rseaux de terrains

Point faible: les systmes de

scurit (coupures de courant,

etc.) ne sont pas disponibles

Avantage: le cot !

Applications didactiques,

applications industrielles non

critiques

44

En route vers louverture

45

En route vers louverture

46

Chapitre 2

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