Les automates programmables

(AUF2)

Table des matières1.Introduction21.1 Le monde industriel21.2 L’automate programmable dans la production31.3 Structure d’un système automatisé41.4 Domaines d’emploi des automates52.Informations traitées par l’automate62.1 Tout ou rien (T.O.R.)62.2 Analogique62.3 Numérique62.4 Entrées – Sorties de l’automate63.Architecture des automates83.1 Structure externe83.2 Structure interne103.3 Fonctions réalisées114.Alimentation de l’automate144.1 Alimentation des entrées de l’automate154.2 Alimentation des sorties de l’automate165.Traitement du programme175.1 Temps de cycle175.2 Adressage186.Programme STEP 7206.1 Système d’automatisation et logiciel206.2 Langages de programmation217.Sécurité258.Communication278.1 Les bus de terrain278.2 Topologie de réseau309.Critère de choix d’un automate3210.Questionnaire33

1. Introduction

L’Automate Programmable Industriel (API) est un appareil électronique programmable, adapté à l’environnement industriel, qui réalise des fonctions d’automatisme pour assurer la commande de préactionneurs et d’actionneurs à partir d’informations logique, analogique ou numérique.

1.1 Le monde industriel

· Influences externes :

· Poussières

· Température

· Humidité

· Vibrations

· Parasites électromagnétiques

· Personnel :

· Mise en œuvre du matériel aisée

· Dépannage possible par les techniciens formés

· Possibilité de modifier le système en cours de fonctionnement

· Matériel :

· Evolutif

· Modulaire

· Implantation aisée

1.2 L’automate programmable dans la production

Les Systèmes Automatisés de Production (S.A.P.)

L’objectif de l’automatisation des systèmes est de produire, en ayant recours le moins possible à l’homme, des produits de qualité et ce pour un coût le plus faible possible.

Un système automatisé est un ensemble d’éléments en interaction, et organisé dans un but précis : agir sur une matière d’œuvre (programme) afin de lui donner une valeur ajoutée (machine ou élément de machine).

Le système automatisé est soumis à des contraintes : énergétiques, de configuration, de réglage et d’exploitation qui interviennent dans tous les modes de marche et d’arrêt du système.

1.3 Structure d’un système automatisé

a) Partie opérative :

Elle agit sur la matière d’œuvre afin de lui donner sa valeur ajoutée.

Les actionneurs (moteurs, vérins) agissent sur la partie mécanique du système qui agit à son tour sur la matière d’œuvre.

Les capteurs / détecteurs permettent d’acquérir les divers états du système.

b) Partie commande :

Elle donne les ordres de fonctionnement à la partie opérative.

Les préactionneurs permettent de commander les actionneurs ; ils assurent le transfert d’énergie entre la source de puissance (réseau électrique, pneumatique…) et les actionneurs. Exemple : contacteur, distributeur…

Ces préactionneurs sont commandés à leur tour par le bloc traitement des informations.

Celui-ci reçoit les consignes du pupitre de commande (opérateur) et les informations de la partie opérative transmises par les capteurs / détecteurs.

En fonction de ces consignes et de son programme de gestion des tâches (implanté dans un automate programmable ou réalisé par des relais (on parle de logique câblée), elle va commander les préactionneurs et renvoyer des informations au pupitre de signalisation ou à d’autres systèmes de commande et/ou de supervision en utilisant un réseau et un protocole de communication.

c) Poste de contrôle :

Composé des pupitres de commande et de signalisation, il permet à l’opérateur de commander le système (marche, arrêt, départ, cycle…)

Il permet également de visualiser les différents états du système à l’aide de voyants, de terminal de dialogue ou d’interface homme-machine.

1.4 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 de bâtiment (tertiaire et industriel) pour le contrôle du chauffage, de l’éclairage, de la sécurité ou des alarmes.

2. Informations traitées par l’automate

2.1 Tout ou rien (T.O.R.)

L’information ne peut prendre que deux états (vrai/faux=0 ou 1). C’est le type d’information délivrée par un détecteur, un bouton poussoir…

2.2 Analogique

L’information est continue et peut prendre une valeur comprise dans une plage bien déterminée. C’est le type d’information délivrée par un capteur (pression, température)

2.3 Numérique

L’information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou bien hexadécimal. C’est le type d’information délivrée par un ordinateur ou un module intelligent.

2.4 Entrées – Sorties de l’automate

Sorties

L’automate commande le processus en appliquant une tension de 24V, par exemple, aux actionneurs via les points de connexions de l’automate appelés sorties. Ceci permet d’activer ou de désactiver des moteurs, de faire sortir et entrer des vérins ou encore d’allumer ou éteindre des lampes.

Entrées

L’automate programmable reçoit les informations sur le processus via les capteurs de signaux reliés aux entrées de l’automate. Ces capteurs de signaux peuvent, par exemple, être des capteurs qui reconnaîtront si la pièce à usiner se trouve à une position donnée ou de simples commutateurs ou interrupteurs qui peuvent être fermés ou ouverts. Une distinction est également faite entre les contacts à ouverture qui sont fermés au repos et les contacts à fermeture qui sont ouverts au repos.

On distingue parmi les capteurs de signaux les contacts à ouverture et les contacts à fermeture.

Le contact ci-dessous est un contact à fermeture qui se ferme lorsqu’il est activé.

Le contact ci-dessous est un contact à ouverture qui est fermé quand il n’est pas activé.

3. Architecture des automates

3.1 Structure externe

Les automates peuvent être de type compact ou modulaire.

De type compact, on distinguera les modules de programmation (logo de siemens, omron).

Il intègre le processeur, l’alimentation, les entrées et les sorties. Selon les modèles et les fabricants, il pourra réaliser certaines fonctions supplémentaires (comptage rapide, E/S analogiques…) et recevoir des extensions en nombre limité.

Ces automates, de fonctionnement simple, sont généralement destinés à la commande de petits automatismes.

De type modulaire, le processeur, l’alimentation et les interfaces d’entrées / sorties résident dans des unités séparées (modules) et sont fixées sur un ou plusieurs racks contenant le fond de panier (bus plus connecteurs).

Ces automates sont intégrés dans les automatismes complexes ou puissance, capacité de traitement et flexibilité sont nécessaires.

Exemple SIMATIC S7 – 300

Le système d’automatisation SIMATIC S7-300 est un automate modulaire et offre une gamme étendue de moules :

· Modules d’alimentatin (PS) avec 2A, 5A ou 10A

· Unité central (CPU) de capacités différentes, certaines avec des entrées/sorties intégrées (CPU314C) ou avec interface profibus intégrée (CPU315-2DP)

· Modules d’extension (IM) pour configuration de plusieurs lignes du simatic s7-300

· Modules de signaux (SM) pour entrées et sorties numériques et analogiques

· Modules de fonction (FM) pour fonctions spéciales (ex : pilotage d’un moteur pas à pas)

· Processeurs de communication (CP) pour la connexion au réseau

1. PS : Power Supply, bloc d’alimentation, par ex. PS307 2A

2. CPU : Central Processing Unit, unité centrale, par ex. CPU 312

3. IM : Interface Module, module d’extension pour configuration de plusieurs lignes par ex. IM360

4. SM : Signal Modules, module d’entrées et de sorties numériques DI/DO/AI/AO, par ex. SM323

5. FM : Function Module, Servo-Motor, PID Contro, par ex. FM354 F

6. CP : Communication Processors, PROFIBUS DP, Industrial Ethernet, ex. CP342-5

3.2 Structure interne

Module d’alimentation : il assure la distribution d’énergie aux différents modules.

Unité centrale : à base de microprocesseur, elle réalise toutes les fonctions logiques, arithmétiques et de traitement numérique (transfert, comptage, temporisation).

Le bus interne : il permet la communication de l’ensemble des blocs de l’automate et des éventuelles extensions.

Mémoires : Elles permettent de stocker le système d’exploitation (ROM ou PROM), le programme (EEPROM) et les données système lors du fonctionnement (RAM). Cette dernière est généralement secourue par pile ou batterie. On peut, en règle générale, augmenter la capacité mémoire par adjonction de barrettes mémoires type PCMCIA.

Interfaces d’entrées : elle permet de recevoir les informations du S.A.P. ou du pupitre et de mettre en forme (filtrage) ce signal tout en l’isolant électriquement (optocouplage).

Interface de sorties : elle permet de commander les divers préactionneurs et éléments de signalisation du S.A.P. tout en assurant l’isolement électrique.

3.3 Fonctions réalisées

Les automates compacts permettent de commander des sorties en T.O.R. et gèrent parfois des fonctions de comptage et de traitement analogique.

Les automates modulaires permettent de réaliser de nombreuses autres fonctions grâce à des modules intelligents que l’on dispose sur un ou plusieurs racks. Ces modules ont l’avantage de ne pas surcharger le travail de la CPU car ils disposent bien souvent de leur propre processeur.

Principales fonctions :

Les cartes d’entrées / sorties, au nombre de 4, 8, 16 ou 32 peuvent aussi bien réaliser des fonctions d’entrées, de sorties ou les deux.

Ce sont les plus utilisées et les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif).

Les cartes d’entrées permettent de recueillir l’information des capteurs, boutons… qui lui sont raccordés et de la matérialiser par un bit image de l’état du capteur.

Les cartes de sorties offrent deux types de technologies : les sorties à relais électromagnétiques (bobine plus contact) et les sorties statiques (à base de transistors ou de triacs).

Les cartes de comptage rapide permettent d’acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l’automate. Exemple : signal issu d’un codeur de position.

Les cartes de commande d’axe permettent d’assurer le positionnement avec précision d’élément mécanique selon un ou plusieurs axes. La carte permet par exemple de piloter un servomoteur et de recevoir les informations de positionnement par un codeur. L’asservissement de position pouvant être réalisé en boucle fermée.

Les cartes d’entrées / sorties analogiques permettent de réaliser l’acquisition d’un signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est également réalisée. Les grandeurs analogiques sont normalisées : 0 – 10V ou 4 – 20mA.

Autres cartes

Cartes de régulation PID

Cartes de pesage

Cartes de communication (Ethernet…)

Cartes d’entrées / sorties déportées

4. Alimentation de l’automate

Le schéma de raccordement de l’API sert à représenter les connexions de tous les modules d’entrée et de sortie reliés à l’API.

Il s’agit généralement des trois circuits suivants :

· L’alimentation électrique 230V/50Hz

· La tension d’alimentation +24VDC des entrées (interrupteurs, capteurs, etc.)

· La tension de service pour les appareils raccordés aux sorties (contacteurs, électrovalves, moteurs de faible puissance, lampes-témoins, etc.)

Pour la compréhension fonctionnelle de l’installation, seuls les circuits d’entrée et de sortie sont nécessaires.

4.1 Alimentation des entrées de l’automate

Les entrées de l’API sont pilotées par une tension de commande +/-24VDC mise à disposition par l’automate lui-même, qui peut également être utilisée pour alimenter les capteurs.

Pour éviter que les entrées soient affectées par des impulsions parasites, on utilise des optocoupleurs et des filtres RC comme circuits d’entrée. Tous les optocoupleurs étant reliés au commun interne 0V (masse), à l’extérieur de l’API, une seule liaison +24VDC est amenée via le contact d’entrée à l’entrée correspondante.

4.2 Alimentation des sorties de l’automate

Les sorties d’un API supportent uniquement un courant de faible intensité. Dans une configuration simple, on utilise un relais de sortie pour ramener à un point commun tous les contacts à fermeture des modules de sortie. Ce raccordement commun pour 8 sorties est alimenté depuis l’extérieur. Des préactionneurs inductifs (contacteurs, relais, électrovalves, etc.) doivent, si alimentés en tension continue, être protégés des surtensions par une diode de roue libre.

5. Traitement du programme

5.1 Temps de cycle

Le traitement du programme dans l’automate est cyclique et se déroule comme suit :

1. Après la mise sous tension de l’automate programmable, le processeur qui constitue pour ainsi dire le cerveau de l’automate vérifie si chaque entrée est sous tension ou non. L’état de ces entrées est enregistré dans la mémoire image des entrées (MIE). Si l’entrée est sous tension, l’information 1 (High) sera enregistrée. Si l’entrée n’est pas sous tension, l’information O (Low) sera enregistrée.

2. Ce processeur exécute le programme stocké dans la mémoire du programme. Celui-ci est constitué d’une liste d’instruction et d’opérations logiques exécutées de manière séquentielle. L’information d’entrée requise à cet effet est prélevée dans la mémoire image des sorties (MIS). Durant l’exécution du programme, le processeur accède également aux zones de mémoire des compteurs, temporisations et mnémoniques.

3. Dans la troisième étape, l’état est transmis après l’exécution du programme utilisateur de la MIS aux sorties, activant ou désactivant celles-ci. L’exécution du programme revient ensuite au point 1.

Le temps requis par le processeur pour l’exécution du programme s’appelle le temps de cycle. Ce dernier dépend entre autres du nombre et du type d’instructions.

5.2 Adressage

La déclaration d’une entrée ou sortie à l’intérieur d’un programme s’appelle ‘’adressage’’.

Les entrées et sorties des automates sont la plupart du temps regroupées en groupes de huit entrées ou sorties numériques. Cette unité de huit entrées ou sorties est appelée un octet. Chaque groupe reçoit un numéro que l’on appelle l’adresse d’octet. Afin de permettre l’adressage d’une entrée ou sortie à l’intérieur d’un octet, chaque octet est divisé en huit bits. Ces derniers sont numérotés de 0 à 7 (SIEMENS). On obtient ainsi l’adresse du bit.

L’automate programmable représenté ici à trois modules de signaux. Le premier module de signaux a les octets d’entrée IB0 à 3. Le deuxième module a les octets de sortie QB4 à 7. Le troisième module a un octet d’entrée IB8 et un octet de sortie QB8.

Pour adresser par exemple la cinquième entrée à partir du haut, il faut entrer l’adresse suivante :I 0.4

I désigne le type de l’adresse : entrée, 0 l’adresse de l’octet et 4 l’adresse du bit.

L’adresse de l’octet et l’adresse du bit sont toujours séparés par un point.

L’adresse du bit de la cinquième entrée est un 4 car la numérotation commence à 0.

Pour adresser par exemple la dernière sortie du groupe du milieu sur le côté gauche, il faut entrer l’adresse suivante : Q 5.7

Q désigne le type de l’adresse ; sorite, 5 l’adresse de l’octet et 7 l’adresse du bit.

L’adresse de l’octet et l’adresse du bit sont toujours séparées par un point.

L’adresse du bit de la dernière sortie est un 7 car la numérotation commence à 0.

6. Programme STEP 7

6.1 Système d’automatisation et logiciel

Le programme de l’automate programmable est créé sur le PC avec le logiciel STEP 7 ou TIA et y est enregistré.

Une fois que vous avez relié le PC avec l’interface MPI (Multi Point Interface ; interface multi-point) de l’automate, le programme peut alors être chargé à l’aide de la fonction de chargement dans la mémoire de l’automate programmable.

Le système d’automatisation SIMATIC S7-300 est un automate modulaire pour une gamme de compétence inférieure et moyenne.

Vous trouverez une gamme étendue de modules S7-300 pour répondre de manière optimale à votre tâche d’automatisation.

L’automate S7 est constitué d’une alimentation, d’une CPU et de modules d’entrées et/ou sorties (modules I/Q).

L’automate programmable contrôle et commande une machine ou un processus à l’aide du programme S7. Les modules d’entrées/sorties sont adressés dans le programme S7 via les adresses d’entrée (I) et adresses de sortie (Q).

Le logiciel STEP 7 ou TIA est l’outil de programmation des systèmes d’automatisation.

Le Simatic S7-300 est un automate programmable destiné aux solutions entrée de gamme et de gamme moyenne.

Le Simatic S7-400 est destiné aux solutions de haute gamme.

Le logiciel STEP 7 ou TIA offre les fonctions suivantes pour l’automatisation d’une installation :

· Configuration et paramétrage du matériel

· Paramétrage de la communication

· Programmation

· Test, mise en service et maintenance

· Documentation, archivage

· Fonctions de diagnostic et d’exploitation

6.2 Langages de programmation

Les opérations logiques servent à définir des conditions pour l’activation d’une sortie.

Dans la plupart des programmes d’automatisation, les opérations logiques peuvent être programmées dans les trois langages suivants :

Il existe de nombreuses opérations logiques pouvant être mises en œuvre dans des programmes d’automatisation.

L’opération ET et l’opération OU ou bien la NEGATION d’une entrée sont les opérations les plus fréquemment utilisées.

Opération ET

La lampe doit s’allumer après l’activation simultanée de deux contacts à fermeture.

Schéma de circuits :

La lampe P1 s’allume au moment où les deux commutateurs S1 et S2 sont activés.

Opération OU

La lampe doit s’allumer si l’un ou les deux contacts à fermeture sont activés.

Schéma de circuits :

La lampe s’allume au moment ou l’un ou les deux commutateurs sont activés. Si le commutateur S1 ou S2 est activé, alors la lampe P1 s’allume.

Opération NEGATION

Dans les opérations logiques, il est souvent nécessaire d’interroger l’état d’un contact pour savoir :

· Dans le cas d’un contact à fermeture si celui-ci n’a pas été activé ou

· Dans le cas d’un contact à ouverture s’il a été activé

Et donc pour savoir si la tension est appliquée à la sortie ou non.

Ceci peut être réalisé par la programmation d’une négation à l’entrée de l’opération ET ou OU.

La négation d’une entrée de l’opération ET est programmée dans le logigramme (LOG) par le symbole ci-dessous. Elle est représentée de la manière suivante :

La tension est appliquée à la sortie Q 4.0 si I0.0 est désactivée et I0.1 activée.

7. Sécurité

Les systèmes automatisés sont, par nature, source de nombreux dangers (tensions utilisées, déplacements mécaniques, jets de matière sous pression…).

Placé au cœur du système automatisé, l’automate se doit d’être un élément fiable car :

· Un dysfonctionnement de celui-ci pourrait avoir de graves répercussions sur la sécurité des personnes.

· Les coûts de réparation de l’outil de production sont généralement très élevés.

· Un arrêt de la production peut avoir de lourdes conséquences sur le plan financier.

Aussi, l’automate fait l’objet de nombreuses dispositions pour assurer la sécurité.

· Contraintes extérieures : l’automate est conçu pour supporter les différentes contraintes du monde industriel et a fait l’objet de nombreux tests normalisés (tenue aux vibrations, CEM…)

· Coupures d’alimentation : l’automate est conçu pour supporter les coupures d’alimentation et permet, par programme, d’assurer un fonctionnement correct lors de la réalimentation (reprises à froid ou à chaud)

· Mode RUN / STOP : Seul un technicien peut mettre en marche ou arrêter un automate et la remise en marche se fait par une procédure d’initialisation (programmée)

· Contrôles cycliques :

· Procédures d’autocontrôle des mémoires, de l’horloge, de la batterie, de la tension d’alimentation et des entrées / sorties.

· Vérification du temps de scrutation à chaque cycle appelée Watchdog(chien de garde) et enclenchement d’une procédure d’alarme en cas de dépassement de celui-ci (réglé par l’utilisateur)

· Visualisation : Les automates offrent un écran de visualisation où l’on peut voir l’évolution des entrées / sorties.

La défaillance d’un automate programmable pouvant avoir de graves répercussions en matière de sécurité, les normes interdisent la gestion des arrêts d’urgence par l’automate ; celle-ci doit être réalisée en technologie câblée.

On peut également ajouter des modules de sécurité à l’automate (sécurité des machines).

8. Communication

Avec le développement des systèmes automatisés et de l’électronique, la recherche de la baisse des coûts et la nécessité actuelle de pouvoir gérer au mieux la production, c'est-à-dire :

· De recevoir les données liées à une application le plus rapidement possible.

· De consulter, contrôler ou de modifier les paramètres d’une application à distance.

Sont apparues de nouvelles technologies de câblage et de communication entre les divers constituants des automatismes.

8.1 Les bus de terrain

Pour diminuer les coûts de câblage des entrées / sorties des automates (système étendu), sont apparus les bus de terrains. L’utilisation de blocs d’entrées / sorties déportés à permis tout d’abords de répondre à cette exigence.

De grandes longueurs de câbles ont pu être économisées grâce à l’évolution active dans le domaine de l’automatisme.

· 1ère évolution

Les interfaces d’entrées / sorties sont déportées au plus près des capteurs.

Avec l’avènement des AS-I, les capteurs, détecteurs… sont devenus intelligents et ont permis de se connecter directement au bus.

· Aujourd’hui

Les capteurs et les préactionneurs intelligents (IHM, variateurs, distributeurs…) permettent la connexion directe au bus.

· Avantages des bus de terrain

· Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant

· Réduction des coûts de maintenance

· Possibilité de communication

· Inconvénients des bus de terrain

· Taille du réseau limité

· Adaptabilité aux applications à temps critique

· Coût global

8.2 Topologie de réseau

Pour que tous les participants dans un système de bus puissent travailler rapidement et avec un maximum de fiabilité, ils doivent être reliés entre eux de manière optimale.

La topologie décrit la structure de mise en réseau de toutes les commandes d’un système d’automatisation. La manière dont cette mise en réseau est conçue détermine fortement la rapidité d’un système et sa sécurité contre la défaillance. La topologie choisie dépend du système de bus utilisé. Grâce à cette interconnexion, le processus technique est relié par les actionneurs / capteurs à la commande associée.

Exemples de topologies de réseau

En étoile

En bus

9. Critère de choix d’un automate

Il faut connaître l’expérience que certaines personnes ont avec l’une ou l’autre marque d’automates.

La formation et l’achat du logiciel sont des coûts non négligeables.

Il faut aussi quantifier les besoins.

· Nombres d’entrées / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks dès que le nombre d’entrées / sorties nécessaires devient élevé.

· Type de processeur : la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur permettront le choix dans la gamme souvent très étendue.

· Fonctions ou modules spéciaux : certaines cartes (commande d’axe, pesage…) permettront de soulager le processeur de devront offrir les caractéristiques souhaitées (résolution…)

· Fonctions de communication : l’automate doit pouvoir communiquer avec les autres systèmes de commande (API, supervision…) et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (Profibus…).

10. Questionnaire

1. Que signifie le terme API ?

2. Quelle est la différence entre une commande câblée et une commande programmable ?

3. Quels sont les avantages d’un automate programmable par rapport à une commande

câblée ?

4. Citez trois transmetteurs de signaux pouvant être raccordés aux entrées d’un API ?

5. Citez trois actionneurs pouvant être raccordés aux sorties d’un API ?

6. Quelle est la différence entre un contact à ouverture et un contact à fermeture ?

7. Que signifient les termes bit, octet, mot, double mot ?

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