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Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 4
CHAPITRE 1: LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS
Dans le domaine de l'automatisation de processus industriels, l’évolution des
techniques de contrôle/commande s’est traduite par :
un développement massif,
une approche de plus en plus globale des problèmes,
une intégration dès la conception de l’installation.
On est ainsi passé du stade de la machine automatisée à celui du système automatisé
de production
I- Structure des systèmes automatisés de production (SAP) :
Tout système automatisé comporte :
Figure 1 : Structure d’un système automatisé
IHM
Partie commande
Capteurs Pré-actionneurs
Partie opérative
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 5
Une partie opérative (P.O) procédant au traitement des matières d’œuvre afin
d'élaborer la valeur ajoutée ; c’est la partie mécanique du système qui
effectue les opérations. Elle est constituée d’actionneurs tels que vérins,
moteurs… utilisant de l’énergie électrique, pneumatique, hydraulique...
Une partie interface (P.I) : est la partie se trouvant entre les deux faces PO et PC
Traduisant les ordres et les informations.
Une partie commande (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la Partie
Opérative avec la finalité d'obtenir cette valeur ajoutée.
La structure simplifiée d’un ensemble automatisé peut se décomposer en trois parties
essentielles :
les entrées Tout Ou Rien (TOR), parfois analogiques, destinées à fournir des
informations sur l’état du processus : fin de course, détecteur de niveau, pressostat,
thermostat, ect,
l’automate qui traite les différentes informations d’entrée afin d’élaborer les ordres,
les sorties transmettant les ordres élaborés par l’automate, aux différents
actionneurs ou pré- actionneurs : voyants, distributeurs de vérins, contacteurs de
moteur,……
Opérateur
AUTOMATE
PROCESSUS
ENTREES SORTIES
Capteurs Actionneurs
Figure 2 : principe de lecture et commande de l’API
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 6
Selon sa complexité, la réalisation de la partie commande (PC) fait appel à diverses
technologies dont les plus couramment utilisées sont :
les relais électromécaniques
les relais statiques électroniques
les relais pneumatiques
l’automate programmable
les cartes électroniques à base d’un microcontrôleur
A partir d’une certaine, complexité, les relais électromécaniques et les relais statiques
deviennent lourds à mettre en œuvre et le cout de l’automatisation est difficile à estimer.
L’automate programmable évite de faire appel à l’ordinateur qui, lui a souvent des
performances trop élevées pour le problème à résoudre et demande un personnel
spécialisé.
Particulièrement bien adaptés aux problèmes de commande séquentielle et d’acquisition
des données, les API autorisent la réalisation aisée d’automatismes comprenant de
quelques dizaines jusqu’à plusieurs milliers d’entrées/sorties.
II- Architecture matérielle des API
II-1 Description générale :
Un automate programmable industriel se présente sous la forme d’un ou plusieurs profilés
supports (racks) dans lesquels viennent s’enficher les différents modules fonctionnels :
l’alimentation 110/220 VCA ou 24 VCC
L’unité centrale de trainement à base de microprocesseur,
Des cartes d’entrées/sorties logiques (TOR),
Des cartes d’entrées/sorties analogiques (ANA),
Des cartes de comptage rapide,
Des cartes de communication (CP),
Des cartes spécifiques pour : réseaux, asservissement, régulation commande d’axe….
LOGIQUE CABLEE
LOGIQUE PRGRAMMEE
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 7
Chaque module d’entrée/sortie comporte un bornier de raccordement et un ensemble
des LEDs visualisation de l’état logique de chaque voie.
Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration adaptée aux
besoins de l’utilisateur ainsi qu’un diagnostic et une maintenance facilités.
II-2 cartes d’entrées TOR :
Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 entrées logiques et peut
correspondre au schéma fonctionnel ci-dessous:
L’API reçoit les informations du processus à partir des capteurs liées aux entrées de
l’API. Le rôle de ces capteurs est de fournir des informations, par exemple, des
capteurs qui reconnaissent si une pièce d'usinage se trouve à une position donnée
ou de simples commutateurs ou boutons poussoirs, qui peuvent être ouverts ou
fermés, appuyés ou relâchés.
Alimentation CPU DI DO AI AO CP
24V DC
230V AC
Figure 3 : principe de lecture et commande de l’API
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 8
On distingue également entre les contacts à ouverture qui sont fermés au repos et les
contacts à fermeture qui sont ouverts au repos.
Les capteurs TOR sont connectés ensemble par le pole plusse 24 v fournie par l’automate
et les sorties sont connectés aux entrées I0.0, I0.1, I0.2,….
0000
E1
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
CPU
Carte
d’entrée
DI
24V 0V (COM)
Capteurs TOR
0V
0V
0V
0V
Figure 4a : Principe de connexion des entrées état au repos
E1
I0.0
I0.1
I0.2
I0 .3
CPU
Carte
d’entrée
DI
24V 0V (COM)
Capteurs TOR
24V
0V
24V
0V
0101
Figure 4b : Principe de connexion des entrées état actionnées
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 9
II-3 cartes de sorties TOR :
Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 sorties logiques et peut correspondre au
schéma fonctionnel suivant :
L’API commande le processus en connectant des actionneurs via les points de
connexion de l’API appelés sorties à une tension de commande de 24 V p.ex.. Ceci
CPU
Carte de
sortie
DO
24V
0000
0V
MAS
MAS
L1 L2 L3
U V W
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Figure 5a : Principe de connexion des sorties état au repos
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
CPU
Carte de
sortie
24V
24V
0V
0V
0V
0V
MAS
MAS
L1 L2 L3
U V W
0001
Figure 5b : Principe de commande des sorties état actionnée
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 10
permet de démarrer ou d’arrêter un moteur, de faire monter ou descendre des vannes ou
d’allumer et éteindre des lampes.
Les pré-actionneurs se connectent à la borne négative 24V de l’automate et suivant le
programme traité l’automate est équipé par des relais distribue le 24V vers les pré-
actionneurs.
Dans ce cas le moteur ne fonctionne que si le programme autorise la fermeture du relais
Q0.0.
II-4 Cartes d’entrées/sorties analogiques :
A la différence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux états
"Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont
capables (dans une certaine plage donnée) de prendre n'importe quelle valeur comprise
entre 0V et 10V ou de 0 à 20mA.
Exemples de grandeurs analogiques:
Température -50 ... +150°C
Algorithme
de calcul
C
A
N
C
N
A
Consigne
ENTREE
ANALOGIQUE
AI
SORTIE
ANALOGIQUE
AO
Capteur analogique
Vane à
commande
analogique
Figure 6 : Principe de commande des sorties état actionnée
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 11
Débit 0 ... 200 l/min
Vitesse 0 ... 1500 tr/min
etc.
En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont converties en tensions
électriques, en courants ou en résistances. Pour une vitesse mesurée de 865 tr/min, le
transducteur de mesure afficherait une tension de 3,65 V. Ces tensions électriques,
courants et résistances sont ensuite connectés à un module analogique qui numérise le
signal.
La chaine d’acquisition et de traitement répond périodiquement à la procédure
suivante (toutes les 100ms par exemple) :
1. Acquisition de la mesure via la carte d’entrée analogique. Pour cela le CAN
(convertisseur analogique numérique figure 8) fournit une valeur numérique codée
sur 12 à 16 Bits.
2. Le programme de traitement (algorithme de calcul) détermine sous forme
numérique la valeur à fournir en sortie, en tenant compte des différents
paramètres :
La valeur de la mesure
La valeur de la consigne
Le type d’algorithme (PID,….)
3. Emission par la carte de sortie analogique de commande pour cela le CNA
(convertisseur numérique analogique figure 7) convertit la valeur numérique de
sortie sous forme analogique (tension, courant ….).
II-5 Cartes d’entrées/sorties complexes :
Toutes ces cartes dites << intelligentes >> disposent en plus des interfaces d’entrée et de
sortie, d’un véritable micro-ordinateur assurant un traitement local plus ou moins
sophistiqué.
Ceci permet, d’une part d’éviter un développement souvent fastidieux de
l’application, d’autre part de réduire parfois considérablement la place mémoire et le
temps d’exécution au niveau de l’UC de l’automate programmable.
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 12
II-5-1 Carte d’axes pour moteur à courant continu ou alternatif
La carte d’axe envoie sur sa sortie analogique ± 10V une tension proportionnelle à
l’accélération et la vitesse souhaitée. Une dynamo-tachymètrique fournit une tension de
retour , image de la vitesse réelle du moteur , afin que la carte puisse corriger tout écart
éventuel.
Un codeur de position incrémental ou absolu, permet à la carte de connaitre la position
de l’axe, et donc de gérer la vitesse en conséquence.
Figure 7 : Principe de la commande d’un axe
Variateur
Sortie ANA
8.35 V
Déplacement 450 mm
Vitesse 50 Hz
Sens arrière
Commande Ok ROM
BUS LOCAL
µp
Logique de
contrôle
Décodeur
d’adresses
BUS de données
BUS d’adresses
BUS de contrôle
Entrée NUM
315
Entrée ANA
5.67 V
Vitesse
Position
Moteur
Dynamo
Codeur
Déplacement
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 13
II-5-2 Carte d’axes pour moteurs pas à pas
La carte d’axe envoie sur sa sortie TOR une série d’impulsion avec une fréquence
proportionnelle à l’accélération et à la vitesse souhaitée. La quantité totale d’impulsions
envoyées correspond quand à celle au nombre de pas que doit parcourir le moteur.
Figure 8 : Principe de commande d’un moteur pas à pas avec API
AMPLIFICATEUR
DE PUISSANCE
Compte
rendue
Nombre de pas 500
Vitesse 50 Hz
Sens arrière
Commande Ok ROM
BUS LOCAL
µp
Logique de
contrôle
Décodeur
d’adresses
BUS de données
BUS d’adresses
BUS de contrôle
Fréquence
4 KHZ
Sens
Déplacement
Moteur
PAS à PAS
Horloge 0 ou 1 1000 1101
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 14
II-5-3 Carte de régulation PID
Cette carte comporte souvent plusieurs entrées analogiques permettant de recevoir
le signal de mesure issu des transmetteurs 4-20mA, ainsi que plusieurs sorties analogiques
permettant de piloter les vannes de régulation.
Le microprocesseur local traite le programme élaboré à partir des différents algorithmes de
régulation implantés sur la carte même (PID, Sommation, Racine carrée,..).
III- Critères de choix d’un API :
L’API se caractérise par :
Une programmation qui offre un langage destinée à l’automaticien (et non celui
de l’informaticien.
Des possibilités de simulation et de visualisation qui apportent à l’utilisateur une
aide efficace à la mise au point et à l’exploitation (modification aisée de
l’automatisme).
Figure 9 : Principe de régulation par API
P
I
D
Manu
Capteur de débit 41%
Vanne 39%
+
A
I
-
A
I
CAN
Consigne 40%
CNA
Sortie 39%
Auto
Gain 1.2
Ti 0.5
Td 0.7
Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]
Page 15
Une puissance de traitement et un ensemble de cartes spécialisées permettant un
développent aisé d’applications particulières : communication, asservissement
d’axes, régulation.
Des possibilités d’extension en termes d’entrées sorties.
Pour créer un projet à base d’un API, des outils nécessaires comme :
Un API de caractéristique compatible au système à commander : nombres
d’entrée sorties ; type d’entrées…
Un logiciel de programmation adapté à l’API.
Un câble de liaison entre PC/API
Figure 10 : outils pour démarche d’un projet
analogique

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  • 1. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 4 CHAPITRE 1: LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS Dans le domaine de l'automatisation de processus industriels, l’évolution des techniques de contrôle/commande s’est traduite par : un développement massif, une approche de plus en plus globale des problèmes, une intégration dès la conception de l’installation. On est ainsi passé du stade de la machine automatisée à celui du système automatisé de production I- Structure des systèmes automatisés de production (SAP) : Tout système automatisé comporte : Figure 1 : Structure d’un système automatisé IHM Partie commande Capteurs Pré-actionneurs Partie opérative
  • 2. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 5 Une partie opérative (P.O) procédant au traitement des matières d’œuvre afin d'élaborer la valeur ajoutée ; c’est la partie mécanique du système qui effectue les opérations. Elle est constituée d’actionneurs tels que vérins, moteurs… utilisant de l’énergie électrique, pneumatique, hydraulique... Une partie interface (P.I) : est la partie se trouvant entre les deux faces PO et PC Traduisant les ordres et les informations. Une partie commande (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la Partie Opérative avec la finalité d'obtenir cette valeur ajoutée. La structure simplifiée d’un ensemble automatisé peut se décomposer en trois parties essentielles : les entrées Tout Ou Rien (TOR), parfois analogiques, destinées à fournir des informations sur l’état du processus : fin de course, détecteur de niveau, pressostat, thermostat, ect, l’automate qui traite les différentes informations d’entrée afin d’élaborer les ordres, les sorties transmettant les ordres élaborés par l’automate, aux différents actionneurs ou pré- actionneurs : voyants, distributeurs de vérins, contacteurs de moteur,…… Opérateur AUTOMATE PROCESSUS ENTREES SORTIES Capteurs Actionneurs Figure 2 : principe de lecture et commande de l’API
  • 3. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 6 Selon sa complexité, la réalisation de la partie commande (PC) fait appel à diverses technologies dont les plus couramment utilisées sont : les relais électromécaniques les relais statiques électroniques les relais pneumatiques l’automate programmable les cartes électroniques à base d’un microcontrôleur A partir d’une certaine, complexité, les relais électromécaniques et les relais statiques deviennent lourds à mettre en œuvre et le cout de l’automatisation est difficile à estimer. L’automate programmable évite de faire appel à l’ordinateur qui, lui a souvent des performances trop élevées pour le problème à résoudre et demande un personnel spécialisé. Particulièrement bien adaptés aux problèmes de commande séquentielle et d’acquisition des données, les API autorisent la réalisation aisée d’automatismes comprenant de quelques dizaines jusqu’à plusieurs milliers d’entrées/sorties. II- Architecture matérielle des API II-1 Description générale : Un automate programmable industriel se présente sous la forme d’un ou plusieurs profilés supports (racks) dans lesquels viennent s’enficher les différents modules fonctionnels : l’alimentation 110/220 VCA ou 24 VCC L’unité centrale de trainement à base de microprocesseur, Des cartes d’entrées/sorties logiques (TOR), Des cartes d’entrées/sorties analogiques (ANA), Des cartes de comptage rapide, Des cartes de communication (CP), Des cartes spécifiques pour : réseaux, asservissement, régulation commande d’axe…. LOGIQUE CABLEE LOGIQUE PRGRAMMEE
  • 4. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 7 Chaque module d’entrée/sortie comporte un bornier de raccordement et un ensemble des LEDs visualisation de l’état logique de chaque voie. Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration adaptée aux besoins de l’utilisateur ainsi qu’un diagnostic et une maintenance facilités. II-2 cartes d’entrées TOR : Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 entrées logiques et peut correspondre au schéma fonctionnel ci-dessous: L’API reçoit les informations du processus à partir des capteurs liées aux entrées de l’API. Le rôle de ces capteurs est de fournir des informations, par exemple, des capteurs qui reconnaissent si une pièce d'usinage se trouve à une position donnée ou de simples commutateurs ou boutons poussoirs, qui peuvent être ouverts ou fermés, appuyés ou relâchés. Alimentation CPU DI DO AI AO CP 24V DC 230V AC Figure 3 : principe de lecture et commande de l’API
  • 5. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 8 On distingue également entre les contacts à ouverture qui sont fermés au repos et les contacts à fermeture qui sont ouverts au repos. Les capteurs TOR sont connectés ensemble par le pole plusse 24 v fournie par l’automate et les sorties sont connectés aux entrées I0.0, I0.1, I0.2,…. 0000 E1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 CPU Carte d’entrée DI 24V 0V (COM) Capteurs TOR 0V 0V 0V 0V Figure 4a : Principe de connexion des entrées état au repos E1 I0.0 I0.1 I0.2 I0 .3 CPU Carte d’entrée DI 24V 0V (COM) Capteurs TOR 24V 0V 24V 0V 0101 Figure 4b : Principe de connexion des entrées état actionnées
  • 6. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 9 II-3 cartes de sorties TOR : Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 sorties logiques et peut correspondre au schéma fonctionnel suivant : L’API commande le processus en connectant des actionneurs via les points de connexion de l’API appelés sorties à une tension de commande de 24 V p.ex.. Ceci CPU Carte de sortie DO 24V 0000 0V MAS MAS L1 L2 L3 U V W Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Figure 5a : Principe de connexion des sorties état au repos Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 CPU Carte de sortie 24V 24V 0V 0V 0V 0V MAS MAS L1 L2 L3 U V W 0001 Figure 5b : Principe de commande des sorties état actionnée
  • 7. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 10 permet de démarrer ou d’arrêter un moteur, de faire monter ou descendre des vannes ou d’allumer et éteindre des lampes. Les pré-actionneurs se connectent à la borne négative 24V de l’automate et suivant le programme traité l’automate est équipé par des relais distribue le 24V vers les pré- actionneurs. Dans ce cas le moteur ne fonctionne que si le programme autorise la fermeture du relais Q0.0. II-4 Cartes d’entrées/sorties analogiques : A la différence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux états "Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont capables (dans une certaine plage donnée) de prendre n'importe quelle valeur comprise entre 0V et 10V ou de 0 à 20mA. Exemples de grandeurs analogiques: Température -50 ... +150°C Algorithme de calcul C A N C N A Consigne ENTREE ANALOGIQUE AI SORTIE ANALOGIQUE AO Capteur analogique Vane à commande analogique Figure 6 : Principe de commande des sorties état actionnée
  • 8. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 11 Débit 0 ... 200 l/min Vitesse 0 ... 1500 tr/min etc. En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont converties en tensions électriques, en courants ou en résistances. Pour une vitesse mesurée de 865 tr/min, le transducteur de mesure afficherait une tension de 3,65 V. Ces tensions électriques, courants et résistances sont ensuite connectés à un module analogique qui numérise le signal. La chaine d’acquisition et de traitement répond périodiquement à la procédure suivante (toutes les 100ms par exemple) : 1. Acquisition de la mesure via la carte d’entrée analogique. Pour cela le CAN (convertisseur analogique numérique figure 8) fournit une valeur numérique codée sur 12 à 16 Bits. 2. Le programme de traitement (algorithme de calcul) détermine sous forme numérique la valeur à fournir en sortie, en tenant compte des différents paramètres : La valeur de la mesure La valeur de la consigne Le type d’algorithme (PID,….) 3. Emission par la carte de sortie analogique de commande pour cela le CNA (convertisseur numérique analogique figure 7) convertit la valeur numérique de sortie sous forme analogique (tension, courant ….). II-5 Cartes d’entrées/sorties complexes : Toutes ces cartes dites << intelligentes >> disposent en plus des interfaces d’entrée et de sortie, d’un véritable micro-ordinateur assurant un traitement local plus ou moins sophistiqué. Ceci permet, d’une part d’éviter un développement souvent fastidieux de l’application, d’autre part de réduire parfois considérablement la place mémoire et le temps d’exécution au niveau de l’UC de l’automate programmable.
  • 9. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 12 II-5-1 Carte d’axes pour moteur à courant continu ou alternatif La carte d’axe envoie sur sa sortie analogique ± 10V une tension proportionnelle à l’accélération et la vitesse souhaitée. Une dynamo-tachymètrique fournit une tension de retour , image de la vitesse réelle du moteur , afin que la carte puisse corriger tout écart éventuel. Un codeur de position incrémental ou absolu, permet à la carte de connaitre la position de l’axe, et donc de gérer la vitesse en conséquence. Figure 7 : Principe de la commande d’un axe Variateur Sortie ANA 8.35 V Déplacement 450 mm Vitesse 50 Hz Sens arrière Commande Ok ROM BUS LOCAL µp Logique de contrôle Décodeur d’adresses BUS de données BUS d’adresses BUS de contrôle Entrée NUM 315 Entrée ANA 5.67 V Vitesse Position Moteur Dynamo Codeur Déplacement
  • 10. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 13 II-5-2 Carte d’axes pour moteurs pas à pas La carte d’axe envoie sur sa sortie TOR une série d’impulsion avec une fréquence proportionnelle à l’accélération et à la vitesse souhaitée. La quantité totale d’impulsions envoyées correspond quand à celle au nombre de pas que doit parcourir le moteur. Figure 8 : Principe de commande d’un moteur pas à pas avec API AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE Compte rendue Nombre de pas 500 Vitesse 50 Hz Sens arrière Commande Ok ROM BUS LOCAL µp Logique de contrôle Décodeur d’adresses BUS de données BUS d’adresses BUS de contrôle Fréquence 4 KHZ Sens Déplacement Moteur PAS à PAS Horloge 0 ou 1 1000 1101
  • 11. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 14 II-5-3 Carte de régulation PID Cette carte comporte souvent plusieurs entrées analogiques permettant de recevoir le signal de mesure issu des transmetteurs 4-20mA, ainsi que plusieurs sorties analogiques permettant de piloter les vannes de régulation. Le microprocesseur local traite le programme élaboré à partir des différents algorithmes de régulation implantés sur la carte même (PID, Sommation, Racine carrée,..). III- Critères de choix d’un API : L’API se caractérise par : Une programmation qui offre un langage destinée à l’automaticien (et non celui de l’informaticien. Des possibilités de simulation et de visualisation qui apportent à l’utilisateur une aide efficace à la mise au point et à l’exploitation (modification aisée de l’automatisme). Figure 9 : Principe de régulation par API P I D Manu Capteur de débit 41% Vanne 39% + A I - A I CAN Consigne 40% CNA Sortie 39% Auto Gain 1.2 Ti 0.5 Td 0.7
  • 12. Chapitre 1 [Les automates programmables industriels] Page 15 Une puissance de traitement et un ensemble de cartes spécialisées permettant un développent aisé d’applications particulières : communication, asservissement d’axes, régulation. Des possibilités d’extension en termes d’entrées sorties. Pour créer un projet à base d’un API, des outils nécessaires comme : Un API de caractéristique compatible au système à commander : nombres d’entrée sorties ; type d’entrées… Un logiciel de programmation adapté à l’API. Un câble de liaison entre PC/API Figure 10 : outils pour démarche d’un projet analogique