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

INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

E/S POUR API


Système numérique destiné à être utilisé dans un environnement industriel :

DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLEselon norme IEC 61131-1

• Fonctions spécifiques dites métier : - logique- mise en séquence- temporisation- comptage- calcul arithmétique

• Commande du processus au moyen d ’entrées et de sorties Tout-ou-Rien ou Analogiques

• Intégration facile dans un système d ’automatisme industriel et utilisation facile des fonctions prévues

• Exécute des activités définies par l'utilisateur sous forme de programme écrit dans un langage textuel ou graphique



DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE

Heater band

Acidic reagent

Alkali reagent

Harvest valve

pH sensor

Temperaturesensor

Feed valve

AgitatorFermentation Process




Fermentation Process

Les fonctions du système de contrôle/commande sont :

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

• des fonctions de régulation :- réguler la température autour de la consigne- réguler le pH de la cuve

• des fonctions de surveillance :- débordement de cuve,excès de température, de pH- dérive du processus de fermentation

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

• des fonctions de communication :- dialogue opérateur (écran IHM)- dialogue réseau avec les autres entités informatiques




• Un automate est un système informatique spécialisé :

- fonctionnement en temps réel : l'échelle de temps est de l'ordre de 1 à 100 ms

- fonctionnement multitâche en temps partagé : toutes les activités fonctionnent simultanément

- interaction avec les éléments matériels du processus + prise en compte de signaux électriques --> entrées+ envoi de signaux électriques réalisant des actions sur le processus --> sorties

- fonctionnement en réseau [application répartie, entrées/sorties distantes, capteurs et actionneurs intelligents]

- fonctionnement sûr (garanti par une norme)


FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE

Unité centrale

Alimentation Moduleentréessortiessimples

Moduleentréessorties

spécialisées

Rack

Prise Console

CouplageRéseau

de Terrain

Voyants de contrôle

Prise Communication


L ’automate doit remplir deux fonctions :

• un rôle de commande en élaborant des actions selon un algorithme approprié,

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

capteurs (analogiques ou numériques)


• un rôle de communication dans le cadre de l ’exploitation avec :

- l ’opérateur humain (dialogue homme-machine par IHM)

- les autres processeurs hiérarchiquement supérieurs

(calculateurs de gestion de production)

- les processeurs de rang égaux (répartition du contrôle d ’une

application sur plusieurs automates

- les éléments de rang inférieur (instrumentation intelligente)



E/S du processus automatiséConsole de mise au point

Dialogue opérateurOutil de développement

Vers autresautomates



Dialogue et supervision

Machine 1 :magasin-tour

Machine 2 :transfert

Machine 3 :gravure

Machine 4 :peinture

Réseau local

Dialogue opérateur

Supervision



Système automatisé à structure hiérarchisée



Les variables internes peuvent être utilisées en écriture et en lecture par le programmeur de l'automate. Elles servent à stocker des valeurs utiles à la réalisation du programme.

Dialogue externe (IHM, console,

réseau)


FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLEActivité logicielle d ’un automate

• en mode « stop », l ’automate programmable reste actif

- seule l ’exécution des tâches (logique, grafcet) est suspendue - les fonctions réseau restent actives (échange avec les autres automates, surveillances des E/S ...)

• le Traitement est exécuté selon les instructions définies par le programmeur

• un automate est en permanence en activité dès sa mise sous tension



Activité logicielle d ’un automate

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

• notion de machine d'état (Mealy)



Activité logicielle d ’un automate: exemple du Grafcet

Règle de franchissement du graphe :

-une transition est validée si toutes les étapes immédiatement précédentes reliées à la transition sont actives

-la transition est franchie si la transition est validée ET si la réceptivité associé à la transition est vraie

- le franchissement de la transition provoque simultanément l'activation de la ou les étapes suivantes et la désactivation des étapes précédentes.

- si une étape doit être simultanément activée et désactivée, elle reste active

- plusieurs transitions simultanément franchissables sont simultanément franchies

X2

X3

Transition T1

X1X1

Transition T2

action1

action2

action3

la "simultanéité" matérielle est impossible sur l'automate !

l'exécution est donc différente du principe ! interprétation du Grafcet→



E/S POUR API


• binairebooléen , vrai/faux , case à cocher , bouton bascule , Tout ou Rien TOR

• numérique

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

• numérique signé ou entier relatif

Complément à 2

• numérique codéBCD, binaire réfléchi , code de GrayFlottant

Variables: la forme numérique ou discrète ensemble de définition 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 signé (tension ou courant)décalage de la grandeur (bipolar offset)

Variables : la forme analogique variation continue dans l'espace de définition (type réel)

Exemples : résistance , température , tension , courant

x∈ R+

Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques


x∈ R


Bits : Mots 16bits: • %IXxxx entrée TOR • %IWxxx mot entrée

• %QXxxx sortie TOR • %QWxxx mot sortie • %MXxxx bit interne • %MWxxx mot interne

• %SXxxx bit système • %SWxxx mot système

• %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 normalisée


Variables : Notation normalisées CEI 61131 des variables

Les outils de développement permettent d'affecter un nom symbolique à chacune des variables physique de l'automate ; cette possibilité améliore la lisibilité d'une application et permet de modifier l'affectation des E/S sans modifier le programme


Notation normalisées IEC 61131 des variables sur un automate : • Adressage variable:

L ’adresse variable xxx est structurée pour tenir compte de la structure matérielle de l ’automate

<adresse> = [réseau].<numéro de chassis>.<numero d ’appareil>.<numero de voie>

Exemple : %IX0.3.5 entrée TOR n°5 du module d ’entrée 3 sur le chassis 0



• SFC Sequential Function Chart ou Sequential Flow Chart langage de type Grafcet ou organigramme permettant la programmation aisée des systèmes séquentiels

• FBD Functions Blocks Diagram ou Schéma-Bloc représentation graphique de fonctions logiques ou de fonctions quelconques

• LD Ladder Diagram ou Diagramme en Echelle représentation graphique des équations booléennes, avec possibilité d'insertion de blocs FB . Langage le plus courant

• ST Structured Text langage textuel permettant d'écrire toute type de fonctionnalité (séquentielle ou non) . Remplacé 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 normalisées IEC 61131-3 sur automate :



• POU Program Organisation Unit

Chaque partie de programme s'appelle un POU . Le langage d'un POU est défini par l'utilisateur en fonction de ses habitudes et de la facilité à exprimer le problème.

Hiérarchie des POUs : 3 sections ou groupes principaux - Programmes représentant des opérations séquentielles ou cycliques

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

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

Langages normalisées IEC 61131-3 sur automate :



Accès logiciel aux grandeurs Booléennes:

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.......



Accès logiciel aux grandeurs Numériques:

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 définition d'une fonction_block

up/down count

Counter

le compteur est incrémenté ou décrémenté à 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

Mémorisation des sorties Lecture au vol des entrées


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 matérielle des sorties


LES MODULES E/S TOR

Lecture et mémorisation synchrone des Entrées

Structure d ’entrée avec mémoires tampons


LES MODULES E/S TOR

Cycle Lecture/écriture des E/S

• temps de cycle usuel : 1 à 5 ms

• un temps maximum est alloué par l ’utilisateur. Le dépassement du temps maximum est considéré comme une anomalie de fonctionnement


LES MODULES E/S TOR

Structure du watch-dog

L ’absence de réactivation du chien de garde provoque la remise à zéro / le repli / le gel des sorties et une signalisation externe de la défaillance


LES MODULES E/S TOR

Autres fonctions sur TOR : • Filtrage Le filtrage élimine les rebonds des entrées et évite les erreurs d ’interprétation de la valeur d ’une variable dans une cascade utilisant %IXn puis not(%IXn)

• Repli/Gel:

Une valeur est affectée à chaque sortie TOR lorsque l ’automate passe en mode « STOP »ou en cas de détection d ’erreur. Celle valeur peut être 0, 1 ou Maintien de la valeur de sortie

• Forçage:

Le forçage d ’une entrée ou d ’une sortie est accessible dans la phase mise au point du programme de l ’automate.



E/S POUR API


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entrées :

• cas des sources de tension

fonctionnement dit en « logique positive »


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entrées :

• cas des contacts « secs »


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entrées :• cas des capteurs statiques

PNP NPN

« logique positive » « logique négative »

couplage électrique entre les entrées et l ’automate


LES MODULES E/S TOR

Connexion des sorties :• sorties « relais »

Isolation entre l ’automate et les sorties


LES MODULES E/S TOR

Connexion des sorties :• sorties « statiques »

PNP

NPN


LES MODULES E/S ANALOGIQUES

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

Entrées analogiques :


LES MODULES E/S ANALOGIQUESEntrées analogiques :

La valeur analogique est quantifiée avec une incertitude de LSB± 12



exemple : signal codé sur 12 bits soit une dynamique de 0 à 212-1 une variation de 1 pas correspond à une précision relative de

1/4096 soit 0,025%


le nombre de bits du convertisseur sera choisi en fonction de la précision demandée



Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques


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

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

• entrées multiplexées




%IWxx.0%IWxx.1

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

• entrées parallèles



Sorties analogiques :

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

• sorties parallèles

Référence de tension



Sorties analogiques :

• sorties démultiplexées

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


ISOLATION DES ENTREES/SORTIES

Nécessité de l ’isolation :


LES MODULES E/S TOR

Connexion des entrées :• entrées opto-couplées

isolation galvanique • entre l ’entrée et l ’automate • entre les entrées

l ’isolation implique une source d ’alimentation pour chaque structure isolée


Modules isolés pour entrées TOR :



Isolation des Entrées analogiques :



Isolation des Sorties analogiques :

%QWxx.0....

%QXxx.0....




E/S POUR API


LES MODULES Entrée Comptage/Décomptage

Fonction dédiée au Signal numérique incrémental La valeur numérique est l ’intégration des incréments

• Exemple: Comptage des impulsions d ’une roue dentée



Cas du codeur incrémental La valeur numérique est l ’intégration signée des impulsions reçues



Cas du codeur incrémental Décodage



Structure d ’un module comptage/décomptage



E/S POUR API


Actionneurs TOR L ’actionneur possède 2 états : actif ou inactif

exemple :allumage d ’un voyant, déclenchement d ’une sirène, mise en marche d ’un chauffage, ouverture d ’une électrovanne, déplacement d ’un vérin, avance continue d ’un tapis...

Actionneur proportionnel L ’action est proportionnelle au signal de commande

exemple : ouverture d ’une vanne, réglage de la puissance d ’un chauffage, réglage d ’une pression, contrôle de l ’angle d ’un rotor...

Signal de commande

Source d ’Energie

ACTION

Action Transformation du signal de commande en une grandeur physique d ’un autre nature

ACTIONNEURS


Chaîne d ’Action : Ensemble des éléments qui permettent d'obtenir une action

ACTIONNEURS


Chaîne d ’Action:• Préactionneur :

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

• Actionneur :

Objet technique qui convertit une énergie de puissance d'entrée en énergie de sortie utilisable pour obtenir une action définie. (ex : vérin, moteur)

• Effecteur :

Ensemble de constituants qui convertit l'énergie reçue de l'actionneur pour l'adapter à l ’effet demandé sur le processus. (ex : réducteur, tapis roulant, bras )

ACTIONNEURS


PREACTIONNEURS

Relais électromécanique

Commutation Tout ou Rien de la source d ’énergie

Relais statique


PREACTIONNEURS


Cascade de pré-actionneurs

+


Relais statique à isolation galvanique


PREACTIONNEURS


PREACTIONNEURS


Cascade de pré-actionneurs

électrovanne

+


Principe de la Modulation de Largeur d ’impulsion MLI/PWM

Modulation de la source d ’énergie

MODULATION DE LA COMMANDE


Modulation de la source d ’énergie

Grandeurs caractéristiques: période T fréquence F = 1/T rapport cyclique

Détection de l ’absence de signal

évaluation des temps par simple comptage

α=T 1

T 1 T 2



Modulation de la source d ’énergiePrécision de mesure

Erreur sur front

E rreur sur durée

Erreur sur période



Applications: contrôle de la luminosité d ’un voyant, modulation d ’un chauffage à faible puissance, d ’une enceinte thermostatée

Modulation de la source d ’énergie sur charge résistive

PR = 1T ∫

0

T

pR t dt

= 1T ∫

0

T 1

Pmaxdt

PR = α Pmax La relation puissance/rapport cyclique est linéaire, indépendante de la période

PR

α

Pmax



Modulation de la source d ’énergie sur charge selfique (bobine)



Modulation de la source d ’énergie sur charge selfique (bobine)

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

l ’ ondulation résiduelle dépend des paramètres du système :- fréquence du hacheur- tension d ’alimentation- valeur de la self-inductance et de la résistance de la charge

la force exercée par la bobine est proportionnelle à l ’angle de commande


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

Application à la commande d ’une vanne proportionnelle

l ’ondulation résiduelle permet de limiter l ’effet d ’hystérésis



Vérification de l ’exécution de la commande Élimination des erreurs de linéarité ou d ’hystérésis Possibilité d ’introduire une non-linéarité voulue dans la commande

Principe

ASSERVISSEMENT D ’UN (PRE)ACTIONNEUR


La position du tiroir est mesurée par un capteur interne Pas de mesure réelle du débit L ’appareil prend le nom de servovalve de contrôle de débit

Exemple: régulateur de débit

ASSERVISSEMENT D ’UN PREACTIONNEUR


Mesure réelle de la pression par un capteur externe La pression mesurée sert de feedback au régulateur L ’appareil prend le nom de servovalve de contrôle de pression

Exemple: régulateur de pression

ASSERVISSEMENT D ’UN (PRE)ACTIONNEUR


Mesure réelle du débit ou de la pression

Exemple: Servovanne à commande pneumatique

ASSERVISSEMENT D ’UN ACTIONNEUR


Mise en place facilitée (loi de correction simplifiée)

Servo-vanne: usage en régulation cascade

ASSERVISSEMENT D ’UN ACTIONNEUR


Modulation directe du secteur sur charge résistive

ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF


Modulation directe du secteur

La puissance délivrée est strictement proportionnelle au rapport cyclique

Pas de perturbation harmonique du réseau

La puissance utilisée est très inférieure à la puissance maximale instantanée

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

Doc: Chauvin Arnould



Modulation par angle de phase

Ajustement très précisde la puissance

Adapté aux charges selfiques (bobines, transformateurs)

La relation rapport cyclique/puissance n ’est pas linéaire

Le principe est générateur d ’harmoniques sur le réseau




Synchronisation des contrôleurs





Modulation directe du secteur

ACTIONNEURS THERMIQUES


Principe fondamental de la dynamique

ACTIONNEURS MECANIQUES

L ’entraînement d ’une charge mécanique impose de maîtriser la loi d ’accélération donc la force ou le couple du moteur

L ’application d ’une force à une masse en translation provoque sa mise en mouvement

L ’application d ’un couple à une inertie en translation provoque sa mise en rotation

M x =∑ Forces Motrices− ∑ Forces Résistantes

J θ =∑ Couples Moteurs −∑Couples Résistants


Déplacement par contrôle de l ’accélération



Effet d ’une discontinuité d ’accélération



Effet d ’une discontinuité d ’accélération


M


Exemple de commande d ’axe : Module Premium SchneiderACTIONNEURS MECANIQUES

Source: Schneider Electric


Exemple de commande d ’axe : Sercos Axis Full Servo LoopACTIONNEURS MECANIQUES

Source: Schneider Electric

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