Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) PDF

Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 1 II.1. Introduction Les automates programmables industriels (API), ou en anglais, programmable logic controller (PLC), sont appa...

Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 1 II.1. Introduction Les automates programmables industriels (API), ou en anglais, programmable logic controller (PLC), sont apparu aux Etats-Unis vers 1969 (Modicon) où ils ont remplacé les commandes à relais câblées et ils répondaient aux désirs des industries de l’automobile de développer des chaînes de fabrication automatisées qui pourraient suivre l’évolution des techniques et des modèles fabriqués. Un automate programmable industriel est une forme particulière de contrôleur à microprocesseur qui utilise une mémoire programmable pour stocker les instructions et qui implémente différentes fonctions, qu’elles soient logiques, de séquencement, de temporisation, de comptage ou arithmétiques, pour commander les machines et les processus (Fig II.1). Il est conçu pour être exploité par des ingénieurs, dont les connaissances en informatique et langages de programmation peuvent être limitées. Le concepteur de l’API l’on préprogrammé pour que la saisie du programme destiné à commander au moyen de signaux d’entrées et de sortie, et d’un programme informatique simple et intuitif, en temps réel, des procédés de processus industriels par un traitement séquentiel. Programme Entrées Sorties API Fig.II.1. Un automate programmable industriel. Ce chapitre d’écrit les automates programmables industriels. On débute par présenter l’environnement industriel et les différentes fonctions réalisés par les API. Ensuite, on définit les API compacts et modulaires, la structure interne des API, les critères de choix d’un API. Les cartes d’entrée/ sortie sont traitées par la suite. Les cartes de régulation PID et de commande d’axe sont donnés à la fin du chapitre. II.2. Avantages et inconvénients des API Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 2 Les APIs avec leur solution programmée présentent des avantages majeurs par rapport à la technologie de logique câblée. Parmi ces intérêts on peut citer : Le même automate de base peut être employé avec une grande diversité de système de commande. Simplifient les modifications car elles sont mises en œuvre de façon logicielle et non pas par des solutions matérielles plus complexes ; Peuvent être facilement étendus par l’ajout de nouveaux modules, alors que des changements matériels sont sinon requis ; Sont plus robustes et plus fiables en raison d’un nombre de composants mécaniques moindre ; Sont plus compacts et rapides ; Réduction des coûts de câblage et de maintenance ; La réduction de beaucoup d’espace requis pour l’installation. En contrepartie, ils présentent les inconvénients suivants : Le prix est cher : le prix est notamment dépendant du nombre d'entrées/sorties nécessaires, de la mémoire dont on veut disposer pour réaliser le programme, de la présence ou non de modules métier. La connaissance des langages de programmation. II.3. Différents types de l’automate programmable industriel Aspect extérieur : Les automates peuvent être de type compact ou modulaire. Automate de type compact (centralisé) : 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 (micro automate). Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 3 Fig.II.2. API compact. Automate 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 où de puissance, capacité de traitement et flexibilité sont nécessaires. Fig.II.3. API modulaire. Remarque : Les automates compacts permettent de commander des sorties en tout ou rien et gèrent parfois des fonctions de comptage et de traitement analogique mais 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. II.4. Structure des API De manière générale, un API est structuré autour de quatre parties principales que sont : Une unité de traitement (Un processeur CPU), une mémoire, des interfaces d’entrées-sorties et une unité d’alimentation (Fig.II.4). Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 4 Fig.II.4. Structure interne d’un API. Ces quatre parties sont reliées entre elles par des bus (ensemble câblé autorisant le passage de l’information entre ces 4 secteurs de l’API). Ces quatre parties réunies forment un ensemble compact appelé automate. II.4.1 Description des éléments d’un API Processeur : Son rôle consiste d’une part à organiser les différentes relations entre la zone mémoire et les interfaces d’E/S et d’autre part à gérer les instructions du programme. Les instructions sont effectuées les unes après les autres, séquencées par une horloge. Interfaces d’E/S : L’interface d’Entrées comporte des adresses d’entrée, une pour chaque capteur relié. L’interface de Sorties comporte des adresses de sorties, une pour chaque pré-actionneur. Le nombre d’E/S varie suivant le type d’automate. Les cartes d’E/S ont une modularité de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif...), généralement il y a deux types d’E/S, type Tout ou Rien (DI/DO) et analogique (AI/AO) L'interface réalise trois fonctions principales : Le découplage mécanique (borniers à vis par exemple) entre le câblage processus et le câblage interne de l'automate. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 5 Le découplage électrique (isolation galvanique) : Le problème est de se protéger contre les tensions de mode commun existant non seulement entre les signaux d'entrée et l'automate mais aussi entre les signaux d'entrée eux-mêmes. L’adaptation des niveaux de tensions (Par exemple, atténuer les entrées haut niveau hors standards, amplifier les entrées bas niveau, effectuer la transformation courant/tension) La conversion analogique/numérique. Filtrage des signaux parasites : Elimination des parasites industriels de fréquence supérieure à celles du signal utile. La synchronisation des transferts conformément aux procédures d'échange du BUS de l'automate. Mémoire : Elle est conçue pour recevoir, gérer, stocker des informations issues des différents secteurs du système que sont le terminal de programmation (PC ou console) et le processeur, qui lui gère et exécute le programme. Elle reçoit également des informations en provenance des capteurs. Il existe dans les automates plusieurs types de mémoires qui remplissent des fonctions différentes : Mémoire de programme : Cette mémoire est utilisée pour stocker le programme. Elle est en général de type EEPROM (electrically erasable PROM : mémoires mortes reprogrammables effacement électrique). Mémoire système : Cette mémoire, présente dans le cas d'automates à microprocesseurs, est utilisée pour stocker le système d'exploitation et elle est programmée en usine par le constructeur. Elle peut donc sans problème être réalisée en technologie PROM (c'est-à-dire programmable une seule fois, sans possibilité d'effacement) voire ROM (mémoire morte accessible uniquement en lecture). Mémoire de données : Elle est utilisable en lecture-écriture des données pendant le fonctionnement. C’est une mémoire de type RAM (mémoire vive dans laquelle on peut lire, écrire et effacer) utilisant une technologie spéciale (CMOS) à très faible consommation électrique du moins, à l'état de repos et elle nécessite une batterie de sauvegarde. Alimentation électrique Tous les automates actuels sont équipés d'une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entrées sont en 24 V DC et une mise à la terre doit également être prévue. II.4.2. Fonctionnement des API Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 6 Un API travail d’une façon cyclique, dont la fonction de base est de lire toutes les entrées depuis les modules d’entrées puis, il exécute le programme de contrôle selon la logique programmée stockée dans la mémoire, puis il fait la mise à jour de toutes les sorties. Ce dernier processus de mise à jour des modules d’interface de sortie, activant ou désactivant les appareils de terrain connectés à chaque terminal d’interface. Ce processus de lecture des entrées, d’exécution du programme et de mise à jour des sorties est appelé un cycle de balayage (Scanning cycle). La figure.II.5. représente le fonctionnement cyclique d’un API. Fig.II.5. Fonctionnement cyclique d’un API. Le temps de balayage, appelé aussi le temps de scrutation (Scan Time), est le temps total mis par l’automate entre deux lectures des entrées. Fig.II.6. Temps de scrutation. Le temps de scrutation d’un API dépend généralement des facteurs suivants : La taille de la mémoire prise par le programme de contrôle. Type d’instructions utilisées dans le programme (qui affecte le temps nécessaire pour exécuter les instructions). La distance entre le champ et l’API (remote I/O). Le système de supervision, il peut ajouter un temps sur le temps de scrutation, car le CPU doit envoyer et réceptionner des données depuis et vers le système de supervision. Généralement le temps de scrutation varie entre quelque millisecondes jusqu’au 30 millisecondes. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 7 II.4.2. Interruptions du fonctionnement cyclique d’un API La méthode de balayage courante consistant à surveiller les entrées à la fin de chaque cycle, cette méthode peut s’avérer inadéquate pour lire certaines entrées extrêmement rapides. Certains automates fournissent des solution logicielles (interruption) permettant d’interrompre le balayage du programme pour recevoir une entrée ou pour mettre à jour une sortie immédiatement. La figure.II.7. illustre le fonctionnement des interruptions lors d’une analyse de programme normale (fonctionnement cyclique). Ces interruptions sont très utiles lorsque l’API doit réagir instantanément à une entrée ou à une sortie critique. Fig.II.7. Interruption du fonctionnement cyclique d’un API. II.4.3 Diagnostic des APIs Le CPU est responsable de la détection des défaillances de communication, ainsi que des autres défaillances pouvant survenir pendant le fonctionnement du système. Il doit avertie l’opérateur ou le système en cas de dysfonctionnement. Pour ce faire, le CPU effectue des diagnostics ou des vérifications d’erreur pendant son fonctionnement et envoie des informations d’état aux indicateurs (LEDs) qui se trouvent au front de module CPU. Les typiques diagnostics incluent l’état de la mémoire, l’état du CPU, l’état de la batterie de sauvegarde et l’état de l’alimentation éclectique. Certains contrôleurs possèdent un ensemble de relais d’erreur pouvant être utilisés dans un circuit d’alarme pour signaler une défaillance (SF : System Fault). Le processeur contrôle le relais de défaillance et l’active quand une ou plusieurs conditions de défaillance spécifiques se produisent. II.4.3.a. Chien de garde (watchdog timer) Les relais d’erreurs généralement fournis avec le système fonctionnent comme un minuteur de surveillance appelé un chien de garde ; c’est-à-dire que le CPU envoie une impulsion à la fin de chaque cycle de fonctionnement indiquant un bon fonctionnement du système. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 8 Si une panne survient, le processeur n’envoie pas d’impulsion, le chien de garde détecte l’absence d’impulsion ce qui excite le relais d’erreurs (défaillance). II.5. Critères de choix des API Les critères de choix essentiels d’un automate programmable industriel sont : Le nombre et la nature des E/S ; Les capacités de traitement du processeur (vitesse, données, opérations, temps réel...). Fonctions ou modules spéciaux Les moyens de dialogue et le langage de programmation ; La communication avec les autres systèmes ; Les moyens de sauvegarde du programme ; La fiabilité, robustesse, immunité aux parasites ; La documentation, le service après-vente, durée de la garantie, la formation ; II.6. Type de données des API Les informations peuvent être de type : Tout ou rien (T.O.R.) : L’information ne peut prendre que deux états (vrai/faux, 0/1 , marche/arrêt (0/24V) …).C’est le type d’information délivrée par un détecteur, un bouton poussoir … etc. figure.II.8.a. Analogique : L’information est continue et peut prendre une valeur comprise dans une plage bien déterminée (Séquence d’impulsion). L’information délivrée par un capteur (pression, température …). figure.II.8.c. Numérique : L’information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou bien hexadécimale (0-10V/4-20mA). C’est le type d’information délivrée par un ordinateur ou un module intelligent. figure.II.8.b. Fig.II.8 : Type des signaux :(a) Tout ou Rien, (b) Numérique, (c) Analogique. Quiz : Choisissez la bonne réponse parmi les quatre choix suggérés, justifier votre réponse : 1. Le terme API signifie : Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 9 A) Analogique Processus Interface. B) Automatisme Programmable Interface. C) Automate Programmable Industriel. D) Automate Personnel Industriel. 2. On peut considérer qu’un API comme un : A) Microprocesseur. B) Microcontrôleur. C) Micro-ordinateur doté d’une interface d’E/S. D) Carte de développement à base d’un microprocesseur. 3. Le rôle d’interface de communication dans le module CPU est de : A) Communiquer avec les cartes d’E/S. B) Communiquer avec la console de programmation. C) Communiquer avec d’autres systèmes. D) Communiquer avec les cartes d’E/S distantes. 4. Le rôle de la carte mémoire dans un API : A) Sauvegarder le programme d’utilisateur. B) Sauvegarder la configuration matérielle de l’API. C) Assurer le démarrage rapide de l’API (fast boot). D) Sauvegarder le programme machine. 5. Le rôle du module d’alimentation d’un API est : A) D’alimenter le module CPU. B) D’alimenter les modules d’interfaces d’E/S. C) D’alimenter les modules d’interfaces d’E/S et le CPU. D) D’alimenter les modules d’interfaces d’E/S local et distants. 6. Le fonctionnement cyclique d’un API est de : A) Lire les entrées, lire les sorties et exécuter le programme. B) Lire les entrées TOR, les entrées analogiques et la mise à jour des sorties. C) Lire les entrées, exécuter le programme et la mise à jour des sorties. D) Lire les entrées, vérification et exécution du programme et la mise à jour des sorties. 7. Le temps de scrutation est somme des temps des étapes suivantes : A) Démarrage de l’API, lire les entrées, exécution du programme et la mise à jour des sorties. B) Lire les entrées, exécution du programme et la mise à jour des sorties. C) Lire les entrées, exécution et vérification du programme, et la mise à jour des sorties. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 10 D) Mise à jour des entrées, exécution du programme et la mise à jour des sorties. 8. Le temps de scrutation dépend fortement : A) A la taille du mémoire du programme. B) A la taille et la complexité du programme. C) Au type d’instructions à exécutées. D) Au type des d’E/S 9. Le problème du fonctionnement cyclique d’un API est dans la : A) Prise en considération des sorties. B) Prise en considération des entrées. C) Prise en considération des sorties rapides. D) Prise en considération des entrées rapides. 10. L’interruption du fonctionnement cyclique d’un API permet : A) D’annuler le cycle. B) De retarder le cycle. C) De reprendre le cycle. D) De prendre en considération une entrée rapide. 11. Si une entrée rapide survient en période d’exécution du programme, sans le privilège d’interruption, cette entrée va être prise en considération : A) Dans le prochain cycle. B) Dans le cycle courant. C) Jamais prise. D) Dans le troisième cycle. 12. Si une entrée rapide survient en période de lecture des entrées, sans le privilège d’interruption, cette entrée va être prise en considération : A) Dans le prochain cycle. B) Dans le cycle courant. C) Jamais prise. D) Dans le troisième cycle. 13. Si une entrée rapide survient en période de mise à jour des sorties, sans le privilège d’interruption, cette entrée va être prise en considération : A) Dans le prochain cycle. B) Dans le cycle courant. C) Jamais prise. D) Dans le troisième cycle. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 11 14. L’échange de données, entre un API local et ses interfaces d’E/S distants, doit être effectuer : A) Au début de chaque cycle. B) A la fin de chaque cycle. C) Au période d’exécution du programme de chaque cycle. D) Au période de mise à jour des sorties de chaque cycle. 15. La distance, entre un API local et ses interfaces d’E/S distants : A) Est illimitée. B) Dépend du protocole de communication. C) Dépend du protocole de communication et la technologie des câbles. D) Dépend de la technologie des câbles. II.7. Interface d’Entrées/ Sorties Les modules d’entrées/sorties (I/O) dans un API sont des interfaces entre le système (CPU) et le monde extérieur (processus). Leur but est pour permettre les connexions des dispositifs d’entrées tels que les capteurs et les dispositifs de sortie tels que les moteurs. Dans ce qui suit on donne un aperçu sur les différents types d’entrées/sorties, leurs connexions électriques et quelques interfaces spécieux utilisées dans un API. II.7.1. Définition Un module d’entrée (I : Input module) est un circuit électronique qui permet la conversion d’une valeur analogique en une valeur numérique (CAN) exploitable par le processeur de la carte CPU. De même, un module de sortie (O : Output module) est un circuit électronique qui permet la conversion des données numérique, venus depuis la carte CPU, en données analogiques exploitables par le processus. Cependant, le processeur de la carte CPU doit avoir des entrées et des sorties numériques avec un niveau de tension entre 0 et 5V. II.7.2. Carte d’Entrées TOR Les modules d’entrées TOR connectent des dispositifs d’entrées (capteurs) à l’automate programmable sous forme d’un signal numérique. Ce type d’entrée n’ayant que deux états (ON / OFF, OUVERT / FERMÉ, VRAI / FAUX, etc.). En réalité, il y a deux formes d’entrées TOR ; soit sous forme des bits simples, qui contrôlent une entrée codée sur un bit, soit sous forme des bits multiples, qui contrôlent de nombreuses entrées. Ce dernier est appelé modules multi bits, recevant plusieurs entrées, tels que les commutateurs à molette utilisés dans les interfaces de registre (BCD), où le transfert de données qui est représenté par le mot (word). Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 12 Fig.II.9. Signal d’entrée Tout Ou Rien. Le tableau.II.1 présente quelques types d’entrées TOR : II.7.3. Signaux des entrées TOR Le signal reçu par les interfaces TOR peut être différent en matière de forme ; alternatif ou continu et/ou de grandeurs (par exemple, 120 VCA, 12 VCC). Le tableau (II.2) donne les valeurs standards utilisées pour les entrées TOR. Disjoncteur Détecteur de niveau Fin de course Entrée TOR Contact du démarreur Capteur Photoélectrique Détecteur de proximité Boutons poussoirs Contacts de relais..etc. Tableau.II.1. Exemples d’entrées TOR II.7.3.a. Entrées TOR de type AC Le schéma fonctionnel d’un circuit d’interface d’une entrée TOR de type AC est présenté par la figure.II.10. Les circuits d’entrées varient considérablement selon les fabricants d’API, mais en général, les interfaces TOR de type AC fonctionnent de la même manière que le circuit présenté dans la figure.II.10. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 13 Standard des entrées TOR +24 V AC/DC +48 V AC/DC +120 V AC/DC +230 V AC/DC Niveau TTL Entrée isolée +5- 50 V DC (source/Sinks) Tableau II.2: Standards des entrées TOR II.6.4.b. Entrées TOR de type DC Le schéma fonctionnel d’un circuit d’interface d’une entrée TOR de type DC est présenté par la figure.II.11. En pratique la majorité des entrées TOR sont de type DC, ce type de carte travaille avec les types de connexions source ou récepteur. Fig.II.10. Schéma fonctionnel d’une entrée TOR de type AC. Fig.II.11. Entrée TOR de type DC. Les deux types de connexions source et récepteur se rapportent au type de câblage électrique des modules entrées de type TOR (DC) avec les capteurs. Si le capteur fournit du courant lorsqu’il est allumé (ON), on dit qu’il est une source de courant. Par contre, si un capteur reçoit du courant lorsqu’il est allumé (ON), on dit qu’il est un récepteur de courant. De la même manière pour la carte d’entrée TOR de type DC, si la carte Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 14 DI (DC) fournit du courant lorsqu’elle est allumée (ON), on dit qu’elle est source de courant. Par contre, si la carte DI (DC)reçoit du courant lorsqu’elle est allumée (ON), on dit qu’elle est réceptrice de courant. II.7.3.c. Entrées TOR de type TTL Les cartes d’entrées de type TTL permettent aux contrôleurs (CPU) d’accepter uniquement des signaux provenant des capteurs compatibles TTL (5VDC), tels que les commandes à semi- conducteurs et des instruments de détection (capteurs photoélectriques...etc.) II.7.3.d. Entrées TOR de type BCD (multi bits) Les cartes d’entrées multi-bits à registre/BCD améliorent les méthodes d’interfaçage des entrées avec l’automate programmable grâce à l’utilisation d’interrupteurs à molette standard. Ce registre, ou configuration BCD, permet d’entrer des groupes de bits, c’est à dire des bits sous forme parallèle. II.8. Carte de sorties TOR Comme les modules d’entrées TOR, les modules de sorties TOR connectent des dispositifs de sorties (actionneurs ou prés-actionneurs) de champ à l’automate programmable. Ce type de sortie n’ayant que deux états (ON / OFF, OUVRIR / FERMER, VRAI / FAUX, etc.). Le tableau.II.3. montre quelques applications utilisées en pratique pour ce type de sortie. II.8.1. Types des sorties TOR Les signaux de sorties de ces types des cartes, peut être différent en matière de forme ; Alternatif ou continu et/ou de grandeurs (par exemple, 120 VCA, 12 VCC). Le tableau.II.4. présente les valeurs standards utilisées pour les sorties de type TOR. II.8.a Sorties TOR de type AC Les cartes de sorties AC, comme les cartes d’entrées, varient considérablement selon les fabricants d’API, mais le schéma fonctionnel présenté sur la figure.II.12. décrit leur configuration générale. Cette configuration montre les principales sections d’une carte de sortie AC, ainsi que son fonctionnement. Le bloc "Switch" il se peut être un transistor, un relais...etc Fig.II.12. Schéma fonctionnel d’une sortie TOR de type AC. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 15 Standard des sorties TOR +24 V AC/DC +48 V AC/DC +120 V AC/DC +230 V AC/DC Niveau TTL Sortie isolée +5- 50 V DC (source/Sinks) Table II.4. Standard des sorties TOR Les alarmes Relais électromagnétiques Ventilateurs Sorties TOR Afficheur 7 segments Distributeurs verins Vanne TOR Table II.3. Exemples des sorties TOR. II.8.b. Sorties TOR de type DC Les cartes de sorties DC contrôlent les charges de type DC d’un fonctionnement TOR. Cependant, le circuit qui affecte la sortie est variable en fonction de la puissance, de la rapidité, du rendement et du prix, tel que le contact d’un relais, triac, transistor, IGBT...etc. Comme dans les cartes d’entrées DC, les cartes de sortie DC peuvent avoir des configurations comme source de courant ou récepteur de courant. II.8.c. Sorties TOR de type TTL Ce type des cartes de sortie TTL permet à un API de piloter des périphériques de sortie compatibles TTL, tels que des afficheurs sept segments, des circuits intégrés et des périphériques travaillant avec une tension de 5V DC. Chapitre II. Les automates programmables industriels (API) 16 II.8.d. Sorties TOR de type BCD Les cartes de sortie de type BCD multi-bits établissent une communication parallèle entre le processeur (CPU) et un périphérique de sortie, tel qu’un afficheur sept segments ou un afficheur alphanumérique BCD...etc. Cependant, ce type de carte de sortie peuvent également piloter que des petites charges DC avec des exigences de courant faibles (