S1 Automatismes 2017A S1_circuit_Cd_cablés_sécurités_15-11-2017.odt 15/11/17

Circuit de commande câblé et sécuritésExemple d’application « palettiseur automatisé »

L’objectif de ce polycopié est de présenter la mise en oeuvre d’un circuit de sécurités câblés sur unsystème automatisé comportant une partie puissance pneumatique et électrique. La partie commandeest réalisé en circuit câblé en commande combinatoire/séquentielle (TOR “tout ou rien”).L’insertion d’une commande programmée via ses modules d’E/S sera vue plus tard et introduira lesenseignement du semestre 2 (automate programmable industriel “API”-”graphe fonctionnel decommande étapes transitions ”GRAFCET”).

I. PRESENTATION PARTIE OPERATIVE

1. Principe du palettiseur:Un bras muni d’une pince prend et déplace des cartons sur une palette. Ces cartons sont placés un àun, manuellement, en entrée du palettiseur par un opérateur. Chaque cartons est ensuite déplacé parun convoyeur puis par un vérin pousseur en zone de préhension.Une pince commandé pneumatiquement en ouverture/fermeture et en rotation (¼ tour pour déposedes cartons en quinquonce →stabilité de la palette)Un chariot est guidé horizontalement par une glissière, et déplacé par un vérin de transfert.Le guidage vertical de la pince est réalisé par une glissière verticale solidaire de ce chariot. Ledéplacement vertical de la pince est assuré par un système pignon/crémaillère entraîné par un moto-réducteur.

2. Simplification du fonctionnement:Dans le système réel, le positionnementvertical de la pince est assuré par un codeurincrémental relatif placé sur l’arbre du pignonde la crémaillère. Dans un soucis desimplification, nous considérons ici que lepositionnement vertical de la pince est assurépar des capteurs à actions mécaniques placédirectement sur le guidage vertical de lacrémaillère.De même, la partie commande initialementréalisée par un API sera remplacée par uncircuit de commande câblé. Le pupitreopérateur sera également réduit au minimumpermettant une conduite très simplifiée de lamachine.

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3. Schéma de la partie opérative:

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4. Schéma simplifié PO:

Le schéma simplifié ci-dessous représente l’état initial considéré lors d’une opération simple de prise d’un carton sur la palette. Seul le déplacement horizontal du chariot et le déplacement vertical de la pince sont pris en compte ici. (l’ouverture/fermeture de la pince n’est pas étudiée).

Les capteurs 1S1, 1S2, 2S1, 2S2 sont utilisés lors du fonctionnement normal (cycle en L → voir paragraphes suivant).Les capteurs de fin de courses fc1 et fc2 sont des capteurs de sécurités permettant d’éviter un échauffement moteur en cas de fin de course accidentelle de la crémaillère.Les butée mécaniques haute et basse évitent un démontage accidentel de la crémaillère lors du fonctionnement. Ces butées sont utilisées pour l’actionnement des capteurs 1S1, 1S2, 2S1, 2S2, fc1 et fc2.

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5. Circuit pneumatique

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II. CIRCUIT 1 “Sécurités câblées et commandes manuelles”

Ce premier circuit permet à l’opérateur de commander manuellement les mouvements du vérin et dumoteur par l’intermédiaire du pupitre opérateur. (pas de cycle automatique dans ce circuit).

1. Pupitre opérateur:

Le pupitre opérateur comprend:

- aru: bouton coup de poing d’arrêtd’urgence à déverrouillage par quart detour,

- Sm: bouton poussoir monostable de miseen énergie,

- Sa: bouton poussoir monostable d’arrêt enénergie

- H0: voyant représentant l’état soustension de la partie commande électriquecâblée,

- H1: voyant représentant l’état en énergiedu circuit de puissance électrique etpneumatique.Lorsque ce voyant est allumé, un mouvement de la partieopérative (PO) est possible en cas de commande sur lepréactionneur

- S1, S2, S3, S4: bouton poussoirsmonostables permettant la commandedirecte des mouvements.

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Smmarche

mise en éner g i e PO:

arrêt

PUPITRE OPERATEUR

H0sous tens i on

H1en éner g i eSa

AU

rentrée

sorti e

S1

S2

vérin 1A moteur M2

S3

S4

sens 1: montée

sens 2: descente

Arrêt d'urgence et mise en énerg ie PO

Commandes manuelles

2. Circuit électrique de puissance/commande

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3. Nomenclature circuit N°1

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2. Explication des sécurités

2.1. PressostatUn pressostat est un détecteur à seuil de pressionréglable. Il commute des contact auxiliaires NO/NFlorsque la pression pneumatique du circuit sur lequel ilest raccordé atteint la pression de réglage du seuil dedéclenchement.

Un contact auxiliaire b1 NO du pressostat est placé ensérie avec la bobine de commande du relais de sécurité.Son rôle est de couper l’alimentation du relais de sécurité KAS en cas de chute de pression (en cas de fuite parexemple).

Attention à la position du contact NO dans le circuit desécurité câblé !A cet emplacement, il n’empêche pas (au démarrage del’installation) la commande du sectionneur pneumatique0YV12, ce qui permet au circuit pneumatique de monteren pression jusqu’à atteindre le seuil de déclenchement dupressostat. L’automaintien du relais de sécurité est alorspossible.Un temps de montée en pression du circuit jusqu’au seuilde déclenchement du pressostat oblige néanmoinsl’opérateur à un appui prolongé* sur le bouton poussoir Sm de mise en énergie.

* ce temps dépend du seuil de pression à atteindre, de la pression duréseau et du volume des conduites du circuit de puissance (ordre degrandeur : quelques secondes).

Pour bien comprendre : - Placer le contact b1 NO à un autre endroit du circuit et vérifier la possibilité de la montée enpression du circuit de puissance pneumatique et de l’automaintien.- Même question avec un contact b1 NF

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2.2. Sécurités mécaniques : butées de fin de course

Si l’opérateur ne stoppe pas l’alimentation du moteur à temps, le mouvement arrive en bout de course.Des butées mécaniques sont alors nécessaires pour éviter le démontage de la crémaillère.

En cas de surcourse bloquée par ces butées, le moteur est alors alimenté en énergie avec la transmission mécanique bloquée (crémaillère, pignon, réducteur), le couple développé par le moteur atteint sa valeur maximum, le courant appelé par le moteur évolue de même, les bobinages du moteur surchauffent alors par effet joules. Cet échauffement est aggravé par l’absence de refroidissement forcédu moteur (ventilateur 10 lié à l’arbre moteur à l’arrêt >voir figure ci-dessous). Si la température des bobinages (voir hachures correspondante ci-dessous) atteint la température de fusion des isolants des bobinages internes au moteur, c’est le court-circuit.

Pour éviter la destruction du moteur et un court-circuit dans le circuit de puissance électrique, des sécurités thermiques et électriques sont absolument nécessaires.

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2.3. Sécurités thermiques

- Relais thermique :En cas de surcharge faible à modérée, un relais thermique F2 placé surla ligne d’alimentation du moteur permet la coupure du relais desécurité pour éviter un échauffement anormal du moteur. Le réglagedu seuil de déclenchement de cette protection est délicat car il ne doitpas gêner le fonctionnement normal, notamment au démarrage où lecouple (et donc l’intensité du courant appelé par le moteur) est plusélevé à cause de l’inertie de la transmission.

Un contact auxiliaire f2 NFest alors placé en série avec la bobined’alimentation du relais de sécurité KAS, ce qui provoque ladésactivation de KAS (et donc la coupure du circuit de puissanceélectrique).

Pour bien comprendre : - Placer le contact f2 NF à un autre endroit du circuit etvérifier le fonctionnement de la sécurité thermique et del’automaintien.- Même question avec un contact f2 NO.

- FusiblesLes fusibles protègent contre les court-circuit. En effet le temps de coupure d’un relais thermique est trop long pour éviter l’établissement du courant (destructeur) de court-circuit. (cette « lenteur » est dueau temps nécessaire à la déformation mécanique du bilame). Un courant de court-circuit doit être coupé en quelques milliseconde !

Les fusibles peuvent être montés à l’intérieur des sectionneurs.

Pour éviter le déclenchement des sécurités thermiques, il suffirait de désactiver le relais de sécurité KAS(et donc l’alimentation du moteur) avant le contact de la crémaillère avec les butées mécaniques...(voir paragraphe suivant)

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2.4. Sécurités électriques : détection des fins de courses

Afin de protéger les fins de course de la crémaillère, deux détecteursde fin de courses à action mécanique ont été mis en place :

- fc1 : fin de course position haute

- fc2 : fin de course position basse

Rq : la butée mécanique basse empêche le démontage de lacrémaillère en position basse. Cette butée est utilisée pour détecterpar fc1 la position haute de la crémaillère. (même raisonnement pour fc2)

Ces deux capteurs sont actionnés par la crémaillère juste avant labutée mécanique.L’arrêt des mouvements est obtenu par la désactivation du relais desécurité KAS et donc par l’arrêt de l’alimentation du moteur.

Attention : la transmission peut continuer à tourner par inertie, et unchoc sur la butée est toujours possible. Un frein à manque decourant peut alors assurer le freinage du moteur, des amortisseurpeuvent également être installés dans la zone de choc (élastomère/amortisseur hydraulique...)

Pour bien comprendre : - Placer le contact fc1 NF à un autre endroit du circuit et vérifier lapossibilité de coupure de l’automaintien de KAS..- Même question avec un contact fc1 NO.

Une sécurité supplémentaire peut être rajoutée pour:- arrêter la commande KM22 de montée de la crémaillère en cas de fin de coursehaute fc2.- arrêter la commande KM21 de descente de la crémaillère en cas de fin de coursebasse fc1.

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Tous les mouvements mécaniques comportant des butées, qui sont commandés électriquement, comportent obligatoirement

des sécurités électriques de fin de course.

2.5. Sécurités électriques : Inter-verrouillage des commandesLa commande simultané des 2 sens de marche du moteur est possible (action de l’opérateur sur S3 et S4). Pour éviter le court-circuit des phases L1 et L3 qui en résulterait, un dispositif de protection par inter-verrouillage des commandes est possible (La commande KM1 bloque celle de KM2 et inversement)

Ce principe peut être redondant à différents niveaux de la chaîne de commande :

- Verrouillage mécanique sur les contacts de puissance :

Un dispositif mécanique est placé à l’intérieur du contacteurinverseur (composant pré-câblé comprenant 2 contacteurs depuissance permettant une inversion de phase), qui bloquemécaniquement la manœuvre des contacts d’un contacteur sil’autre est commandé simultanément. Ce verrouillage mécaniqueest représenté par un triangle placé sur la liaison mécaniquecommune des deux contacteurs.

- Verrouillage électrique par les contacts auxiliaires des contacteurs dans lecircuit de commande :Le contact auxiliaire km21 NF est câblé en série sur la commande de KM22.Le contact auxiliaire km22 NF est câblé en série sur la commande de KM21.

# Si les deux protections sont utilisées : il s’agit d’un inter-verrouillagesymétrique (en cas de double commande de l’opérateur aucune bobine n’est alimentée)# Si une seule protection est utilisée la priorité est donnée à la bobine necomportant pas de sécurité. (en cas de double commande de l’opérateur seule une bobineest alimentée)

Pratiquement, ces protections (mécaniques et électriques) sont réalisés « enusine » dans des sous-ensembles pré-montés.

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- Verrouillage électrique par les contacts auxiliaires des boutons poussoirs dans le circuit de commande :

Cette solution est utilisée ici pour éviter la double commande de l’électrovanne pneumatique (bobine 1YV12 et 1YV14)L’actionnement du bouton poussoir S1:

- ferme le contact S1 NO ce qui permet l’alimentation de la bobine 1YV12

- ouvre le contact S1 NF ce qui empêche l’alimentation de la bobine 1YV14

La ligne pointillée reliant le contact NO et NF du même bouton poussoir représente la liaison mécanique commune aux deux contacts, manoeuvrée par l’action sur le bouton poussoir.

- Verrouillage mécanique par remplacement des boutons poussoirs par un sélecteur 3 positions monostables (joystick) du pupitre de commande.Dans ce cas l’opérateur ne peut pas réaliser physiquement de double commande en agissant sur le sélecteur.Cette solution n’est pas utilisée ici.

Rq : Les embases rectangulaires noires, placées sous le socle de fixation de l’élément de manœuvre (bouton poussoir/joystick), sont des blocs de contacts auxiliaires NO ou NF (au choix).Plusieurs blocs sont ainsi emboitables les unsdans les autres pour obtenir le nombre decontacts auxiliaires NO/NF désirés.

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2.6. Sécurités concernant l’opérateur

Des directives européennes fixent les exigences de sécurités des systèmes automatisés (voir annexe).Le respect de ces directives impose en particulier :

- une mise (ou remise) en énergie de la machine par une action volontaire de l’opérateur.- un dispositif verrouillable d’arrêt d’urgence provoquant l’arrêt immédiat des mouvements de la

PO par mise hors énergie des actionneurs.- le déblocage du dispositif d’arrêt ne doit pas remettre la machine en route mais seulement

autoriser le redémarrage.- une signalisation de l’état « en énergie » de la machine.

En conséquence :Les contacts de puissance d’un relais de sécurité KAS sont placés sur le circuit de puissance.

- L’ouverture provoque la mise hors énergie de la partie puissance de la machine.- La fermeture de KAS est commandée par le circuit de commande grâce à un auto-maintien

activé ou désactivé par une action volontaire de l’opérateur sur les boutons poussoirs du pupitre (activation par Sm, désactivation par Sa ou AU)

- l’automaintien de KAS permet d’empêcher le retour automatique de la mise en énergie à la disparition de l’ordre d’arrêt de l’automaintien (déverrouillage de l’arrêt d’urgence AU par exemple), l’opérateur doit alors remettre la partie puissance en énergie par une action volontaire → appui sur le bouton poussoir Sm.

La commande des bobinesdes préactionneurs doit êtreimpossible si le relais desécurité KAS est désactivé →un contact auxiliaire kas estplacé en amont du circuitd’alimentation de 1YV12, 1YV14, KM21, KM22.

Un voyant lumineux H0commandé dès la fermeturedu sectionneur électrique Q0signale à l’opérateur la présence de tension dans lecircuit de puissance (attention:une électrocution est possibleen cas d’intervention sur lecircuit!)

Un voyant lumineux H1commandé dès l’alimentationde la bobine KAS signale àl’opérateur la présenced’énergie dans la PO(attention: des mouvementssont possibles en cas decommandes!)

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2.7. Sécurités en cas d’ouverture intempestive du sectionneur en charge

Préambule: # Un sectionneur possède un faible pouvoir de coupure (il n’est pas prévu pour supporter et stopper un arc électrique lors de l’ouverture d’un circuit inductif* en charge)* un circuit d’alimentation de moteur est un circuit fortement inductif à cause de l’inductance des bobinages internes au moteur, l’ouverture d’un circuit inductif provoque un arrêt brutal du courant dans les bobines d’où, en réaction, une très forte augmentation de tension au bornes des bobinages U=L.di(t)/dt. C’est cette tension qui provoque l’amorçage de l’arc électrique.

# Un contacteur électrique possède un fort pouvoir de coupure (il est prévu pour supporter l’amorçaged’un arc électrique, et pour le couper par des mécanismes divers (vitesse élevée de déplacement des contacts, pôles en platine ou tungstène, fractionnement de l’arc, soufflage magnétique, chambre d’huile ou vide...)

En cas d’ouverture intempestive/non prévue du sectionneur Q0 en charge, l’arc électrique risque de détruire les contacts de puissance du sectionneur. Pour éviter cette destruction, un contact auxiliaire depré-coupure d’arc q0 doit désactiver le relais de sécurité KAS avant l’ouverture des contacts de puissance Q0.

Ce décalage temporel entre l’ouverture des contacts de puissance du sectionneur Q0 et l’ouverture du contact q0 N0 de pré-coupure d’arc est prévu mécaniquement à la construction du sectionneur.

A l’ouverture du sectionneur Q0 en charge:- L’opérateur manoeuvre manuellement le sectionneur,- le contact auxiliaire de pré-coupure d’arc q0 retourne à l’état repos NO dès le début de la manoeuvre,- cette ouverture de q0 provoque la désactivation du relais de sécuritéKAS- les contacts de puissance de KAS s’ouvrent, ce qui crée l’amorçagede l’arc électrique au niveau des pôles du contacteur KAS (il est prévupour cela), l’arc est immédiatement coupé par les mécanismesd’extinction d’arc du contacteur,- L’ouverture des contacts de puissance du sectionneur peut alors sefaire hors charge (le courant a déjà été coupé par les contacts depuissances de KAS) → le sectionneur n’est pas endomagé.

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II. CIRCUIT 2 “Sécurités câblées et cycle automatique”

Ce deuxième circuit permet à l’opérateur de commander le cycle automatique de prise d’un carton parl’intermédiaire d’un bouton poussoir dcy placé sur le pupitre opérateur.

1. Pupitre opérateur:Le pupitre opérateur comprend:- dcy: bouton poussoir monostable

de départ cycle,- aru: bouton coup de poing d’arrêt

d’urgence à déverrouillage parquart de tour,

- Sm: bouton poussoir monostablede mise en énergie,

- Sa: bouton poussoir monostabled’arrêt en énergie

- H0: voyant représentant l’état soustension de la partie commandeélectrique câblée,

- H1: voyant représentant l’état enénergie du circuit de puissanceélectrique et pneumatique.Lorsque ce voyant est allumé, un mouvement de lapartie opérative (PO) est possible en cas decommande sur le préactionneur

2. Diagramme de cycleLe cycle réalisé est un cycle en L conforme au diagramme de cycle ci-dessous:

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3. Equations de commande des mouvementsOn en déduit les équations de commande des mouvements (voir travail réalisé en labo)

Cette logique de commande est ensuite câblée dans le circuit de commande.(vous verrez au semestre 2, et en électronique numérique que cette logique de commande peut aussi être programmée...)

à faire en 2018A: III; Circuit 3 avec interfaces d’E/S de commandes programmées.

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4. Circuit électrique de puissance/commande

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SYMBOLES NORMALISÉS POUR SCHÉMAS- sources d’énergie- dispositifs de connexions- composants électriques de base

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SYMBOLES NORMALISÉS POUR SCHÉMASdispositif d’ouverture/fermeture de contacts (circuit de puissance/commande)

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Un code d’appellation est utilisé en fonction du type de matériel :F : dispositif de protection (fusible…)H : dispositifs de signalisation (voyant,…)KA : contacteurs auxiliairesKM : contacteurs principauxM : moteursS : composants pour circuit de commande (boutons poussoir, détecteurs…)T : transformateurY : composant actionné électriquement (électrovanne, frein…)

SYMBOLES NORMALISÉS POUR SCHÉMAS

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SÉCURITÉ DES SYSTÈMES AUTOMATISÉS Extraits des directives machines U.E. successives89/392, 91/368 et 89/655

Ces directives applicables dans le cadre européen fixent les exigences essentielles en matière de sécurité et de santé relatives à la conception et la construction des machines et des installations automatisées. Cesdirectives concernent aussi les composants de sécurité. Elles sont reprises dans le Code du travail sous forme d'articles (décret 92-767 du 29/7/92 et décret 93-40 du 11/1/93).

92-767, art 1.2.3; 93-40, art. R. 233-18 : Mise en marche La mise en marche d'une machine ne doit pouvoir être obtenue que par l'action (volontaire) d'unopérateur sur un organe de service prévu à cet effet, sauf si cette mise en marche, obtenue autrement,ne présente aucun risque pour les opérateurs concernés. Il en est de même pour la remise en marcheaprès arrêt, quelle qu'en soit l'origine.93-40, art. R. 233-27 : Arrêt normalChaque poste de travail ou partie d'équipement de travail doit être munie d'un organe de servicepermettant d'arrêter, en fonction des risques existants, soit tout l'équipement de travail, soit une partieseulement, de manière que l'opérateur soit en situation de sécurité.L'ordre d'arrêt doit avoir priorité sur, les ordres de mise en marche. L'arrêt de la machine ou de seséléments dangereux étant obtenu, l'alimentation en énergie des actionneurs concernés doit êtreinterrompue.93-40, art. R. 233-28 : Arrêt d'urgence Chaque machine doit être munie d'un ou de plusieurs dispositifs d'arrêt d'urgence clairementidentifiables, accessibles et en nombre suffisant, permettant d'éviter des situations dangereusesrisquant ou entrain de se produire.92-767 art1.2.4 :Le dispositif doit provoquer l'arrêt du processus dangereux en un temps aussi réduit que possible sanscréer de risques supplémentaires et éventuellement déclencher ou permettre de déclencher certainsmouvements de sauvegarde. Lorsque, après avoir déclenché un ordre d'arrêt on cesse d'actionnerl’organe de service commandant l'arrêt d'urgence, cet ordre doit être maintenu par un blocage dudispositif d'arrêt d'urgence jusqu'à son déblocage volontaire. Le déblocage du dispositif d'arrêt ne doitpouvoir être obtenu que par une manoeuvre appropriée et ce déblocage ne doit pas remettre lamachine en marche, mais seulement autoriser un redémarrage.92-767, art. 1.2.5 : Sélecteur de mode de marcheLe mode de marche sélectionné doit avoir priorité sur tous les autres systèmes de commande, àl'exception de l'arrêt d'urgence. Chaque position du sélecteur ne doit correspondre qu'à un seul mode92-767, art. 1.2.6: Défaillance de l'alimentation en énergieL'interruption, le rétablissement après une interruption, ou la variation de l’alimentation en énergie dela machine, quel qu'en soit le sens; ne doivent pas créer de situations dangereuses. En particulier, il nedoit y avoir ni mise en marche intempestive, ni empêchement de l'arrêt si un ordre en a déjà été donné,demandé, ni chute ou éjection d'un élément mobile de la machine ou d'une pièce tenue par celle-ci, niempêchement de l’arrêt automatique ou manuel des éléments mobiles quels qu'ils soient, niinterruption de l'efficacité des dispositifs de protection.92-767, art. 1.2.7 : Défaillance du circuit de commandeUn défaut affectant la logique du circuit de commande, ou une défaillance ou une détérioration ducircuit de commande ne doit pas créer de situation dangereuse.92-767, art 1.2.8 : LogicielsLes logiciels de dialogue entre l’opérateur et le système de commande ou de contrôle d’une machinedoivent être conçus de façon conviviale.

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