mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d
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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
Filière : GENIE INDUSTRIEL
Département : Génie Mécanique et Productique
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du
diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel
ETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/OFACTORY I/OFACTORY I/OFACTORY I/O
Présenté par : RAZAFILEMATANA Robertin
Soutenu le : 13 Décembre 2014 Promotion 2003
ii
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
Filière : GENIE INDUSTRIEL
Département : Génie Mécanique et Productique
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du
diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel
AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL
ETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL
FACTORY I/O
Membres du jury
Président MonsieurRANDRIAMORASATA Josoa
Examinateurs Monsieur ANDRIAMANALINA William
Monsieur RAKOTONDRAINIBE Faniry
Monsieur RAMELINA Lala Arimonjy
Directeur de mémoire Monsieur ANDRIAMANOHISOA Hery Zo
Présenté par : RAZAFILEMATANA Robertin
Soutenu le : 13 Décembre 2014 Promotion 2003
iii
REMERCIEMENTS
A l’issue de ce mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en
Génie Industriel, je ne peux me taire sans, premièrement, remercier DIEU car par sa grâce,
j’ai pu réaliser avec la collaboration de nombreuses personnes de bonne volonté.
Deuxièmement, je tiens à remercier le Professeur ANDRIANARY Philippe, Directeur de
l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, de m’avoir donné l’autorisation de
soutenance de ce mémoire.
Ensuite, j’exprime mes vifs remerciements à Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa, qui
n’a pas ménagé ses efforts pour me diriger et conseiller durant mes études. J’apprécie
également le grand honneur qu’il me fait en président le jury de ce mémoire.
Monsieur ANDRIAMANOHISOA Hery Zo, qui m’a assisté en tant qu’encadreur
pédagogique et qui, avec beaucoup de patience et de compréhension, a accepté de diriger ce
travail.
Je remercie Monsieur ANDRIAMANALINA William, Monsieur RAKOTONDRAINIBE
Faniry, Monsieur RAMELINA Lala Arimonjy, d’être parmi les membres de jury.
J’exprime également ma reconnaissance et mes remerciements à tous les enseignants de
département Génie Industriel de l’ESPA qui m’ont partagé leur savoir-faire.
Et je tiens aussi plus particulièrement à remercier toute ma famille qui m’a soutenu tant
moralement que financièrement durant toutes mes années d’études, tous mes amis(es) et mes
collègues et enfin à tous ceux qui ont de près ou de loin contribué à la réalisation de ce
mémoire.
MERCI A TOUS
iv
SOMMAIRE
REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 1
CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES.............................................................................................. 2
I Introduction aux systèmes automatisés ..................................................................................... 3
II Automatisation ............................................................................................................................ 5
III Structure d'un système automatisé ............................................................................................ 7
CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL ...................................................................... 23
IV HISTORIQUE ............................................................................................................................... 24
V Place de l'API dans le système automatisé de production (S.A.P.) : ......................................... 25
VI Architecture des automates : .................................................................................................... 27
VII Câblage des entrées / sorties d'un automate : ..................................................................... 31
VIII Traitement du programme automate ................................................................................... 33
IX Sécurité : .................................................................................................................................... 35
X Les automates et la communication : ....................................................................................... 36
XI Critères de choix d'un automate : ............................................................................................. 39
CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE .......................... 41
XII Langages de programmation : ............................................................................................... 42
XIII Programmation à l'aide du GRAFCET (SFC : Sequential Function Chart) : ............................ 44
XIV GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes–Transitions). :................................. 44
XV Le langage à contact ou Ladder ............................................................................................. 47
XVI Grafcet et langage LADDER ................................................................................................... 48
XVII Organisation d'un programme d'automate programmable ................................................. 50
CHAPITRE IV ........................................................................................................................................... 52
SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O ......................................................................... 52
XVIII I. INTRODUCTION .................................................................................................................. 53
XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION ................................................................................................. 53
CONCLUSION ......................................................................................................................................... 56
ANNEXES .................................................................................................................................................. 1
v
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES
TABLE DES MATIERES
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Structure d'un système automatisé ........................................................................................ 8
Figure 2 : Les éléments essentiels des systèmes automatisés ................................................................ 9
Figure 3 : Moteur synchrone ................................................................................................................... 9
Figure 4 : Moteur asynchrone ............................................................................................................... 10
Figure 5 : Moteur pas à pas ................................................................................................................... 10
Figure 6 : Machine électrique à courant continu .................................................................................. 11
Figure 7 : Vérin à double effet ............................................................................................................... 11
Figure 8 : Vérin à simple effet ............................................................................................................... 12
Figure 9 : Vérin linéaire ......................................................................................................................... 12
Figure 10 : Vérin rotatif ......................................................................................................................... 12
Figure 11 : Coupe d'un vérin ................................................................................................................. 13
Figure 12 : Vanne à commande électrique ........................................................................................... 13
Figure 13 : Vérin à commande pneumatique ........................................................................................ 14
Figure 14 : Vérin à commande hydraulique .......................................................................................... 14
Figure 15 : Contacteur ........................................................................................................................... 15
Figure 16 : Schéma de la commande d'un contacteur .......................................................................... 15
Figure 17 : Relais électromagnétique .................................................................................................... 16
Figure 18 : Relais statique ..................................................................................................................... 16
Figure 19 : Distributeur pneumatique ................................................................................................... 17
Figure 20 : Capteur ................................................................................................................................ 18
Figure 21 : Détecteur inductif ............................................................................................................... 18
Figure 22 : Détecteur capacitif .............................................................................................................. 19
Figure 23 : Détecteur photoélectrique .................................................................................................. 19
Figure 24 : Fonctionnement du détecteur de type barrage .................................................................. 20
Figure 25 : Détecteur de niveau ............................................................................................................ 20
Figure 26 : Transmetteur ....................................................................................................................... 21
Figure 27 : Diagramme d'un système automatisé de production ......................................................... 25
Figure 28 : Structure d'un système automatisé .................................................................................... 26
Figure 29 : Automate compact et automate modulaire ....................................................................... 28
Figure 30 : Module d’alimentation ........................................................................................................ 28
Figure 31 : Schéma de la structure interne de l'API .............................................................................. 29
Figure 32 : Câblage des entrées / sorties d'un automate ..................................................................... 32
Figure 33 : Alimentation des entrées de l'automate ............................................................................. 33
Figure 34 : Alimentation des sorties de l'automate .............................................................................. 33
Figure 35 : Schéma de traitement de l'automate ................................................................................. 34
vi
Figure 36 : Temps de réponse totale ..................................................................................................... 34
Figure 37 : Réseaux locaux industriels .................................................................................................. 39
Figure 38 : Exemple de langage IL ......................................................................................................... 42
Figure 39 : Exemple de langage ST ........................................................................................................ 42
Figure 40 : Exemple de langage LLD ...................................................................................................... 43
Figure 41 : Exemple de langage FBD ..................................................................................................... 44
Figure 42 : Exemple de GRAFCET .......................................................................................................... 44
Figure 43 : Symbolisation du GRAFCET ................................................................................................. 46
Figure 44 : Mode d'exécution des instructions en LLD ......................................................................... 48
Figure 45 : Exemple de fonction mémoire GRAFCET ............................................................................ 49
Figure 46 : Equivalence de la figure 45 en LADDER ............................................................................... 49
Figure 47 : Mémoire avec priorité à l'arrêt ........................................................................................... 50
Figure 48 : Mémoire avec priorité à la marche ..................................................................................... 50
Figure 49:simulation de tri d'objet automatisé ..................................................................................... 53
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Représentation des éléments principaux du LLD ............................................................... 47
viii
LISTE DES ABREVIATIONS
ASIC : Application-specific integrated circuit
PO : Partie opérative
PC : Partie commande
TOR : Tout Ou Rien
GM : General Motors
API : Automate Programmable industriel
IHM : Interface Homme Machine
ROM : Read Only Mémory
PROM : Programmable Read Only Memory
EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
RAM : Read Access Memory
PCMCIA : Personal Computer Memory Card International Association
S.A.P : Système Automatisé de Production
CPU : Central Process Unit
CAN : Conversion Numérique
TRT : Temps de réponses Totale
CEM : Compatibilité Electromagnétique
APIdS : Automate Programmable industriel de Sécurité
CIM : Computer Integrated Manufacturing
GRAFCET :graphe fonctionnel de commande étapes / transitions
ST : Structured Text
LD : Ladder diagram
LLD : Langage Ladder diagram
FBD : Function Bloc Diagram
PLC : Programmable Logic Controller
BP : Bouton poussoir
1
INTRODUCTION Dans un concept de mondialisation, la compétitivité des entreprises sont soumis à rudes
épreuves. Il est important d’optimiser au maximum les rendements pour obtenir un maximum
de profit. Avec l’arrivée des technologies numériques, les industriels ont façonné leurs modes
de production pour pouvoir être à la pointe des évolutions technologiques. Les industries sont
depuis longtemps confronter à des nombreux problèmes de surnombre d’ouvrier avec de
capacités de production non satisfaisantes. Les ingénieurs ont toujours cherché comment
accroitre les capacités de production tout en ayant le minimum de personnel et de coût de
production. Petit à petit, les ingénieurs ont élaboré des systèmes pour être en accord avec
l’évolution des technologies numériques. C’est ainsi qu’est apparu le système automatisés.
L’avènement de L’automate programmable industriel (API) a vraiment révolutionné
l’environnement du monde industriel car il a permis de résoudre des nombreux problèmes liés
à la production industriel et d’améliorer la capacité de production, accroitre le niveau de
sécurité des personnels. L’API a permis la mise en application des systèmes automatisés à
l’échelle industrielle.
Toutefois, le prix des appareils électriques sont très cher et il faut donc avoir un système
fiable mais à moindre coût.
L’objet de ce mémoire est d’étudier et de comprendre toutes les fonctionnalités de l’API. Car
il est important pour un ingénieur industriel de savoir et d’exploiter tous les avantages dans
l’utilisation d’un API.
De ce fait, ce document comportera :
Dans le premier Chapitre sera étudié les systèmes automatisés.
Ensuit dans la deuxième, l’étude de l’automate programmable Industriel.
Suivie dans le chapitre III, l’étude de langage de programmation de l’API ;
Et enfin, simulation d’un système de triage automatique à l’aide du logiciel FACTORY I/O.
2
CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES
3
I INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES
I.1 Fonction globale d'un système
La fonction globale de tout système automatisé est de conférer une valeur ajoutée à un
ensemble de matières d'œuvre dans un environnement ou contexte donné.
I.1.1 Matières d’œuvre
Une matière d’œuvre peut se présenter sous plusieurs formes. Par exemple :
• un PRODUIT, c'est-à-dire de la matière, à l'état solide, liquide ou gazeux, et sous une
forme plus ou moins transformée :
− des objets techniques : lingot, roulement, moteur, véhicule...
− des produits chimiques : pétrole, éthylène, matière plastique...
− des produits textiles : fibre, tissu, vêtement...
− des produits électroniques : transistor, puce, microprocesseur, automate
programmable...
− etc.
− qu'il faut : concevoir, produire, stocker, transporter, emballer, utiliser...
• de l'ENERGIE
− sous forme : électrique, thermique, hydraulique...
− qu'il faut : produire, stocker, transporter, convertir, utiliser...
• de l'INFORMATION
− sous forme écrite, physique, audiovisuelle...
− qu'il faut : produire. stocker, transmettre, communiquer, décoder, utiliser...
• des ETRES HUMAINS
− pris individuellement ou collectivement
− qu'il faut : former, informer, soigner, transporter, Servir...
I.1.2 Valeur ajoutée
La Valeur Ajoutée à ces matières d’œuvre est l'objectif global pour lequel a été défini conçu,
réalisé, puis éventuellement modifié, le système. Cette Valeur Ajoutée peut résulter par
exemple :
4
• d'une MODIFICATION PHYSIQUE des matières d’œuvre
− traitement mécanique : usinage, formage, broyage, impression…
− traitement chimique ou biologique
− conversion d'énergie
− traitement thermique : cuisson, congélation...
− traitement superficiel : peinture, teinture...
• d'un ARRANGEMENT PARTICULIER, sans modification des matières d’œuvre
− montage, emballage, assemblage...
− couture, collage...
• d'une MISE EN POSITION particulière, ou d'un TRANSFERT, de ces matières
d’œuvre
− manutention, transport, stockage
− commerce
− communication
• d'un PRELEVEMENT D'INFORMATION sur ces matières d’œuvre
− contrôle mesure lecture examens...
I.1.3 Contexte et valeur ajoutée
La nature, la quantité et la qualité de la valeur ajoutée peuvent varier pour tenir compte de
l'évolution des besoins de la société dans laquelle s'insère le système. Ce qui peut conduire à
modifier le système, voire l'abandonner pour en construire un nouveau.
L'environnement, c'est-à-dire le contexte physique, social, économique, politique, ... joue un
rôle essentiel dans le fonctionnement du système et influe sur la qualité et/ou la quantité de la
valeur Ajoutée.
I.2 Système de production
Un système de production est un système à caractère industriel possédant les caractéristiques
suivantes :
− l'obtention de la valeur ajoutée présente, pour un ensemble de matières d’œuvre
donné, un caractère reproductible,
5
− la valeur ajoutée peut être exprimée et quantifiée en termes économiques Un
système de production répond au besoin d'élaborer des produits, de l'énergie ou de
l'information à un coût rentable pour l'utilisateur du système.
L'élaboration progressive de la valeur ajoutée sur les matières d’œuvre est obtenue :
− au moyen d'un ensemble d'éléments ou de dispositifs opératifs, appelés partie
opérative et plus ou moins mécanisés,
− par l'action, à certains moments, d'opérateurs humains et/ou de dispositifs de
commande pour assurer la coordination des dispositifs opératifs.
Exemples de système de production
− usine de fabrication chimique, métallurgique, électronique...
− société de service (informatique...), groupe de presse, banque...
II AUTOMATISATION
L'automatisation de la production consiste à transférer tout ou partie des tâches de
coordination, auparavant exécutées par des opérateurs humains, dans un ensemble d'objets
techniques appelé
II.1 PARTIE COMMANDE.
La Partie Commande mémorise le savoir-faire des opérateurs pour obtenir la suite des actions
à effectuer sur les matières d’œuvre afin d'élaborer la valeur ajoutée.
Elle exploite un ensemble d'informations prélevées sur la Partie Opérative pour élaborer la
succession des ordres nécessaires pour obtenir les actions souhaitées.
II.1.1 Objectifs de l'automatisation
L'automatisation permet d'apporter des éléments supplémentaires à la valeur ajoutée par le
système. Ces éléments sont exprimables en termes d'objectifs par :
6
− accroître la productivité du système c'est-à-dire augmenter la quantité de produits
élaborés pendant une durée donnée. Cet accroissement de productivité exprime un
gain de valeur ajoutée sous forme :
� d'une meilleure rentabilité,
� d'une meilleure compétitivité.
− améliorer la flexibilité de production ;
− améliorer la qualité du produit grâce à une meilleure répétabilité de la valeur
ajoutée
− s'adapter à des contextes particuliers :
� adaptation à des environnements hostiles pour l'homme (milieu salin, spatial,
nucléaire...),
� adaptation à des tâches physiques ou intellectuelles pénibles pour l'homme
(manipulation de lourdes charges, tâches répétitives parallélisées...),
− augmenter la sécurité.
D'autres objectifs, à caractères sociaux, financiers... peuvent s'ajouter à ceux-ci.
II.1.2 Conduite et surveillance d'un système automatisé
Il s'avère très difficile en pratique d'intégrer dans une Partie Commande la totalité des savoir-
faire humains de sorte que l'automatisation reste souvent partielle : certaines tâches restent
confiées à des intervenants humains.
A ces causes techniques viennent s'ajouter des considérations économiques de compétitivité,
des considérations financières imposant un fractionnement des investissements, des
considérations sociales d'automatisation douce.
Certaines tâches restent donc manuelles et l'automatisation devra donc prendre en compte la
spécificité du travail humain, c'est-à-dire en particulier :
− assurer le dialogue entre les intervenants et le système automatisé,
− assurer la sécurité de ces intervenants dans l'exécution de leurs tâches manuelles.
En outre le modèle de fonctionnement de la Partie Commande, choisi par le concepteur du
système, ne correspond qu'à un ensemble de situations prévues, c'est-à-dire retenues parle
concepteur parmi un ensemble de situations possibles.
7
Or il est impératif de pouvoir faire face à des situations non prévues (donc non retenues en
général pour des raisons économiques compte tenu de leur faible probabilité), voire
imprévisibles.
Seul un opérateur peut alors intervenir et prendre les décisions requises par cette situation : il
assure une fonction de conduite et de surveillance du système automatisé. Cette fonction peut
être plus ou moins assistée par un ensemble de moyens (pupitres, informatique...).
Le concepteur devra alors :
− fournir à l'intervenant (ou lui permettre de prélever) toutes les informations
significatives (ou indices) nécessaires à l'analyse de la situation,
− lui permettre d'agir sur le système, soit directement (dépannage...), soit
indirectement (consignes de sécurité, de marches et d'arrêts...).
III STRUCTURE D'UN SYSTEME AUTOMATISE
Tout système automatisé comporte :
− une PARTIE OPERATlVE (P.O.) procédant au traitement des matières d’œuvre
afin d'élaborer la valeur ajoutée,
− une PARTIE COMMANDE (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la
Partie Opérative avec la finalité d'obtenir cette valeur ajoutée.
8
Figure 1 : Structure d'un système automatisé
Tout système automatisé est en interaction :
− avec le contexte ou milieu environnant physique et humain extérieur au système
La Partie Commande d'un système isolé est un ensemble de composants et de constituants de
traitement de l'information, destiné :
− à coordonner la succession des actions sur la Partie Opérative,
− à surveiller son bon fonctionnement,
− à gérer les dialogues avec les intervenants,
− à gérer les communications avec d'autres systèmes,
− à assurer le traitement des données et des résultats relatifs au procédé, aux matières
d’œuvre, aux temps de production, à la consommation énergétique... (gestion
technique).
Les éléments essentiels dans les systèmes automatisés :
9
Figure 2 : Les éléments essentiels des systèmes automatisés
III.1 Partie Opérative :
III.1.1 Les actionneurs :
a - Les actionneurs électriques :
- Moteur à courant alternative :
Il existe deux sortes de moteur à courant alternatif:
� En premier nous avons les moteurs synchrones qui sont utilisés pour les TGV aussi
appelé alternateur quand il est utilisé comme générateur.
Figure 3 : Moteur synchrone
10
� En deuxième on trouve le moteur asynchrone Qui ne possède aucune connexion entre
le rotor et le stator (cas rotor cage d'écureuil). Ce moteur est essentiellement alimenter
par des systèmes de courant triphasés.
Figure 4 : Moteur asynchrone
- Les moteurs pas à pas
Ce sont des machines électrique Synchrone, ou le rotor est en aimant permanant, Et le
stator constitue par des bobines commandées par un courant continu géré par un système
électronique
Figure 5 : Moteur pas à pas
Avantage
• Sans balais
• Couple important même en petite vitesse
• Asservissement de position sans perte d’angle
• Vitesse important
11
- Une machine électrique à courant continu est constituée :
D’un stator à base d’un flux de champ magnétique crée soit par des enroulements
bobinée soit par un aiment permanent
D’un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité de chaque
enroulement rotorique.
Figure 6 : Machine électrique à courant continu
b - Les actionneurs pneumatiques
- Les vérins pneumatiques :
� il fournit une énergie mécanique à partir d’une énergie pneumatique
� Ils produisent un mouvement de translation.
- Type des vérins :
� Vérin double effet
Figure 7 : Vérin à double effet
� Vérin simple effet
12
Figure 8 : Vérin à simple effet
� Vérin linéaire
Figure 9 : Vérin linéaire
� Vérin rotatif
Figure 10 : Vérin rotatif
13
Figure 11 : Coupe d'un vérin
c - Autre actionneurs
• Ventouses pneumatique : Très utilisée dans la manipulation d’objets.
• vanne à commande:
– Électrique (électrovanne)
Figure 12 : Vanne à commande électrique
– Pneumatique
14
Figure 13 : Vérin à commande pneumatique
– Hydraulique
Figure 14 : Vérin à commande hydraulique
III.1.2 LES PREACTIONNEURS
Les préactionneurs se sont des dispositifs intermédiaires pour la commande des
actionneurs.
a - Les contacteurs et les relais:
Le contacteur est un appareil électromécanique de commande mécanique de connexion,
capable d’établir, de supporter et d’interrompre des courants dans les conditions normales
du circuit, y compris les conditions de surcharges en services.
15
Figure 15 : Contacteur
La commande des contacteurs se fait par l’alimentation électrique de la bobine interne du
contacteur
Figure 16 : Schéma de la commande d'un contacteur
Les relais se sont des interfaces de commande Il est chargé de transmettre un ordre de la
partie commande à la partie puissance d'un appareil électrique et permet, entre autres, un
isolement galvanique entre les deux parties.
Type :
� Relais électromécanique
16
Figure 17 : Relais électromagnétique
Relais statique
Le relais statique: relais électronique à base de Photo coupleur qui assure l’isolement
électrique des deux parties électrique.
Figure 18 : Relais statique
Les distributeurs
Pour chaque vérin pneumatique, on associera un distributeur.
La commande du distributeur peut être pneumatique ou électrique.
Les distributeurs sont constitués d’un corps contenant plusieurs orifices et d’un tiroir
pouvant prendre plusieurs positions dont une seule est active. Le symbole d’un
distributeur se présente sous la forme suivante
17
Figure 19 : Distributeur pneumatique
III.1.3 LES CAPTEURS:
Un Capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une
grandeur utilisable.
Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état
en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.
Quelque principe physique exploité par les capteurs :
Angle, Courant, Champ magnétique, Débit, Déplacement, Distance, Force, Inertiels,
Lumière, Niveau, Position, Pression, Son, Température, forme.
a - Les capteurs tout ou rien
Sur la majorité des systèmes automatisés, le traitement des données est effectué sur des
variables de type logiques (informations sur 2 états).
Ces variables représentent généralement :
• La présence ou l’absence de l’objet à détecter
• Le passage de l’objet
• Le positionnement de l’objet
• Éventuellement le comptage de l’objet
En fonction des applications on distingue deux
Types de technologies :
• Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre dir
en contact avec un élément du capteur
• Les capteurs à détection sans contact, pour lesquels l’objet est
le capteur
Les interrupteurs de positions sont des appareils actionnés par contact direct avec l’objet à
détecter. Ils transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact
électrique.
• Le dispositif d’attaque
• Le corps équipé de contact
• La tête de commande (tête
- Le Détecteur inductif
Les détecteurs inductifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques à
distance. Une sortie statique informe de la détection
Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre dir
avec un élément du capteur
Les capteurs à détection sans contact, pour lesquels l’objet est détecté
Les interrupteurs de positions sont des appareils actionnés par contact direct avec l’objet à
transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact
Le dispositif d’attaque (à poussoir, à levier, à tige...)
Le corps équipé de contact (NO ou NF)
(tête à mouvement rectiligne, angulaire ou multidir
Figure 20 : Capteur
Les détecteurs inductifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques à
distance. Une sortie statique informe de la détection
Figure 21 : Détecteur inductif
18
Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre directement
détecté à distance par
Les interrupteurs de positions sont des appareils actionnés par contact direct avec l’objet à
transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact
multidirectionnel)
Les détecteurs inductifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques à
- Le détecteur capacitif
Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métal
isolants à distance (solide, liquide ou
détection.
Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les condensateurs
constituent la face sensible. Celle
L’autre armature étant constit
sortie, correspondant à un contact NO ou NF, est délivré.
- Les détecteurs photoélectriques
Ce sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances
centimètres à plusieurs dizaines de
avec ou sans réflecteur, ou de deux boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur.
Principe de fonctionnement
Un détecteur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur
photosensible. Dans le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et
placés l'un en face de l'autre.
Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métal
solide, liquide ou pulvérulent). Une sortie statique informe de la
Figure 22 : Détecteur capacitif
Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les condensateurs
constituent la face sensible. Celle-ci est formée par l’une des armatures du condensateur.
L’autre armature étant constituée par l’objet à détecter. Après mise en forme, un signal de
sortie, correspondant à un contact NO ou NF, est délivré.
Les détecteurs photoélectriques
sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances
lusieurs dizaines de mètres). Ils se présentent sous la forme d'un boîtier
avec ou sans réflecteur, ou de deux boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur.
Figure 23 : Détecteur photoélectrique
Principe de fonctionnement:
teur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur
le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et
placés l'un en face de l'autre.
19
Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques ou
. Une sortie statique informe de la
Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les condensateurs
ci est formée par l’une des armatures du condensateur.
uée par l’objet à détecter. Après mise en forme, un signal de
sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances (quelques
. Ils se présentent sous la forme d'un boîtier
avec ou sans réflecteur, ou de deux boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur.
teur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur
le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et
Figure
- Les détecteurs de niveau
Il permet le maintien d’un niveau à des points spécifiques (niveau haut et niveau bas) et
alarme pour un niveau anormalement bas
- Le détecteur de pression
Les pressostats et les vacuostats ont pour fonction de contrôler ou de réguler une pression
ou une dépression dans un circuit hydraulique ou pneumatique.
franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal élect
Analogique
Une partie hydraulique comprenant:
• un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler
• des systèmes de ressorts pour les différents réglages
Les pressostats et vacuostats sont constitués de deux parties di
Figure 24 : Fonctionnement du détecteur de type barrage
Il permet le maintien d’un niveau à des points spécifiques (niveau haut et niveau bas) et
alarme pour un niveau anormalement bas
Figure 25 : Détecteur de niveau
Les pressostats et les vacuostats ont pour fonction de contrôler ou de réguler une pression
ou une dépression dans un circuit hydraulique ou pneumatique. Ils transforment le
franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal élect
partie hydraulique comprenant:
un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler
des systèmes de ressorts pour les différents réglages
Les pressostats et vacuostats sont constitués de deux parties distinctes :
20
Il permet le maintien d’un niveau à des points spécifiques (niveau haut et niveau bas) et
Les pressostats et les vacuostats ont pour fonction de contrôler ou de réguler une pression
Ils transforment le
franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal électrique TOR ou
un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler
• un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à
la partie électrique
• une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.
b - LES CAPTEURS ANALOGIQUES
Le fonctionnement des thermomètres à résistan
phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la
température. Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un
agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de
thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part.
Thermomètre à résistance
Thermomètres à thermistance
Comparatif
Couple thermoélectrique
Sonde de niveau capacitive
III.1.4 LES TRANSMETTEURS
C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un
signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée. Le
transmetteur est destiné à être monté en tête de sonde. Le signal
température, de niveau, etc.…)
linéarisé. La liaison 2 fils assure à la fois l'alimentation et la transmission du signal
un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à
une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même
phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la
Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un
étalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de
thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part.
ANSMETTEURS
C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un
signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée. Le
transmetteur est destiné à être monté en tête de sonde. Le signal du détecteur
etc.…) est converti par le transmetteur 2 fils en un signal courant
linéarisé. La liaison 2 fils assure à la fois l'alimentation et la transmission du signal
Figure 26 : Transmetteur
21
un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à
une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.
ce et des thermistances est basé sur un même
phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la
Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un
étalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de
C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un
signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée. Le
du détecteur (sonde de
est converti par le transmetteur 2 fils en un signal courant
linéarisé. La liaison 2 fils assure à la fois l'alimentation et la transmission du signal
22
Deux types de transmission du signal cohabitent :
La boucle de tension : 0-10 V, 5V- 10V
Le capteur délivre une tension proportionnelle à la grandeur mesurée. Attention cependant au
problème des parasites radioélectriques
La boucle de courant : 0-20mA, 4-20mA
Le capteur délivre un courant proportionnel à la grandeur mesurée. La faible impédance du
circuit améliore l’immunité aux parasites de la boucle et lui confère une plus grande précision.
La boucle de courant 4 - 20 mA présente l’avantage de permettre la détection d’une coupure
de la ligne si i = 0 mA (sécurité fil coupée).
23
CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE
INDUSTRIEL
24
IV HISTORIQUE Les automates programmables industriels sont apparus à la fin des années soixante, à la
demande de l'industrie automobile américaine (GM), qui réclamait plus d'adaptabilité de leurs
systèmes de commande.
Les coûts de l'électronique permettant alors de remplacer avantageusement les technologies
actuelles.
Avant on utilise des relais électromagnétiques et des systèmes pneumatiques pour la
réalisation des parties commandes qui ont comme inconvénient d’être cher, pas de flexibilité
et pas de communication possible on appelais ceci la logique câblée.
La solution est donc l’utilisation de systèmes à base de microprocesseurs permettant une
modification aisée des systèmes automatisés qui est la logique programmée.
Les ordinateurs de l'époque étant chers et non adaptés aux contraintes du monde industriel, les
automates devaient permettre de répondre aux attentes de l'industrie.
IV.1 Contraintes du monde industriel :
Influences externes :
− poussières,
− Température
− humidité,
− vibrations,
− parasites électromagnétiques, …
Personnel :
− mise en œuvre du matériel aisée (pas de langage de programmation complexe)
− dépannage possible par des techniciens de formation électromagnétique)
− possibilité de modifier le système en cours de fonctionnement
Matériel :
− - évolutif
− - modulaire
− - implantation aisée
25
IV.2 Définition :
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.
V PLACE DE L'API DANS LE SYSTEME AUTOMATISE DE PRODUCTION (S.A.P.) :
V.1 Les systèmes automatisés de production :
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 organisés dans un but
précis : agir sur une matière d’œuvre afin de lui donner une valeur ajoutée.
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.
Figure 27 : Diagramme d'un système automatisé de production
V.2 Structure d'un système automatisé :
Tout système automatisé peut se décomposer selon le schéma ci-dessous :
26
Figure 28 : Structure d'un système automatisé
V.2.1 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.
V.2.2 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.
27
V.2.3 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 (IHM).
V.3 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 du bâtiment (tertiaire et industriel) pour le
contrôle du chauffage, de l'éclairage, de la sécurité ou des alarmes.
V.4 Nature des informations traitées par l'automate :
Les informations peuvent être de type :
− 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 …
− 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 …)
− Numérique : l'information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou
bien hexadécimale. C'est le type d'information délivrée par un ordinateur ou un
module intelligent.
VI ARCHITECTURE DES AUTOMATES :
VI.1 Aspect extérieur :
Les automates peuvent être de type compact ou modulaire.
De type compact, on distinguera les modules de programmation (LOGO de Siemens, ZELIO
de Schneider, MILLENIUM de Crouzet ...) des microautomates.
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
28
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 où puissance, capacité de
traitement et flexibilité sont nécessaires.
Figure 29 : Automate compact et automate modulaire
Figure 30 : Module d’alimentation
1. Module d'alimentation 6. Carte mémoire
2. Pile de sauvegarde 7. Interface multipoint (MPI)
3. Connexion au 24V cc 8. Connecteur frontal
4. Commutateur de mode (à clé) 9. Volet en face avant
5. LED de signalisation d'état et de défauts
29
VI.2 Structure interne
Figure 31 : Schéma de la structure interne de l'API
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 ...).
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 / sorties :
• Interface d'entrée : 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 sortie : elle permet de commander les divers préactionneurs et éléments de
signalisation du S.A.P. tout en assurant l'isolement électrique.
VI.3 Fonctions réalisées :
Les automates compacts permettent de commander des sorties en T.O.R et gèrent parfois des
30
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 :
• Cartes d'entrées / sorties : Au nombre de 4, 8, 16 ou 32, elles 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 voies peuvent être indépendantes ou posséder des "communs".
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).
• Cartes de comptage rapide : elles 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.
• Cartes de commande d'axe : Elles 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.
• Cartes d'entrées / sorties analogiques : Elles 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
31
− Cartes de communication (Ethernet ...)
− Cartes d'entrées / sorties déportées
VII CABLAGE DES ENTREES / SORTIES D'UN AUTOMATE :
VII.1 Câblage des entrées / sorties d'un automate :
L'automate est alimenté généralement par le réseau monophasé 230V ; 50 Hz mais d'autres
alimentations sont possibles (110V etc. ...).
La protection sera de type magnétothermique (voir les caractéristiques de l'automate et les
préconisations du constructeur).
Il est souhaitable d'asservir l'alimentation de l'automate par un circuit de commande
spécifique (contacteur KM1).
De même, les sorties seront asservies au circuit de commande et alimentées après validation
du chien de garde.
32
Figure 32 : Câblage des entrées / sorties d'un automate
VII.2 Alimentation des entrées de l'automate :
L'automate est pourvu généralement d'une alimentation pour les capteurs/détecteurs (attention
au type de logique utilisée : logique positive ou négative).
Les entrées sont connectées au OV (commun) de cette alimentation.
Les informations des capteurs/détecteurs sont traitées par les interfaces d'entrées.
33
Figure 33 : Alimentation des entrées de l'automate
VII.3 Alimentation des sorties de l'automate :
Les interfaces de sorties permettent d'alimenter les divers préactionneurs.
Il est souhaitable d'équiper chaque préactionneur à base de relais de circuits RC.
Figure 34 : Alimentation des sorties de l'automate
VIII TRAITEMENT DU PROGRAMME AUTOMATE
Tous les automates fonctionnent selon le même mode opératoire :
34
Figure 35 : Schéma de traitement de l'automate
• Traitement interne : L'automate effectue des opérations de contrôle et met à jour
certains paramètres systèmes (détection des passages en RUN / STOP, mises à jour
des valeurs de l'horodateur, ...).
• Lecture des entrées : L'automate lit les entrées (de façon synchrone) et les recopie dans
la mémoire image des entrées.
• Exécution du programme : L'automate exécute le programme instruction par
instruction et écrit les sorties dans la mémoire image des sorties.
• Ecriture des sorties : L'automate bascule les différentes sorties (de façon synchrone)
aux positions définies dans la mémoire image des sorties.
Ces quatre opérations sont effectuées continuellement par l'automate (fonctionnement
cyclique).
On appelle scrutation l'ensemble des quatre opérations réalisées par l'automate et le temps de
scrutation est le temps mis par l'automate pour traiter la même partie de programme. Ce
temps est de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour les applications standards.
Le temps de réponse total (TRT) est le temps qui s'écoule entre le changement d'état d'une
entrée et le changement d'état de la sortie correspondante :
Figure 36 : Temps de réponse totale
35
Le temps de réponse total est au plus égal à deux fois le temps de scrutation (sans traitement
particulier). Le temps de scrutation est directement lié au programme implanté. Ce temps peut
être fixé à une valeur précise (fonctionnement périodique), le système indiquera alors tout
dépassement de période.
Dans certains cas, on ne peut admettre un temps de réponse aussi long pour certaines entrées :
ces entrées pourront alors être traitées par l'automate comme des événements (traitement
événementiel) et prises en compte en priorité (exemples : problème de sécurité, coupure
d'alimentation ...).
Certains automates sont également pourvus d'entrées rapides qui sont prises en compte avant
le traitement séquentiel mais le traitement évènementiel reste prioritaire.
IX SECURITE : 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, des
tensions d'alimentation et des entrées / sorties
36
− 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).
Il existe enfin des automates dits de sécurité (APIdS) qui intègrent des fonctions de
surveillance et de redondance accrues et garantissent la sécurité des matériels.
X LES AUTOMATES ET LA COMMUNICATION : Avec le développement des systèmes automatisés et de l'électronique (circuits ASICs), 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 communications entre les
divers constituants des automatismes.
X.1 Les bus de terrain :
Pour diminuer les coûts de câblage des entrées / sorties des automates (systèmes étendus),
sont apparus les bus de terrains. L'utilisation de blocs d'entrées / sorties déportés a permis tout
d'abord de répondre à cette exigence.
37
Avec l'avènement des ASICs, les capteurs, détecteurs ... sont devenus "intelligents" et ont
permis de se connecter directement au bus (médium).
38
Pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs /
préactionneurs ont été développés plusieurs protocoles de communication et des standards
sont apparus (normalisés ou standards de fait).
Avantages des bus de terrain :
− Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant
− Réduction des coûts de maintenance
− Possibilités de communication
Inconvénients des bus de terrain :
− Taille du réseau limitée
− Adaptabilité aux applications à temps critique
− Coût global
X.2 Les réseaux de terrain :
L'émergence de ces nouvelles technologies à conduit à la définition de plusieurs catégories de
réseaux locaux industriels (pyramide CIM) :
− les réseaux de terrain,
− les réseaux de cellule,
− les réseaux de supervision et de commande
39
Figure 37 : Réseaux locaux industriels
La nécessité de communication entre cellules (communication entre automates) a permis de
voir apparaître de nombreuses normes de communication (Profibus, Fip ...).
Le déterminisme nécessaire pour certaines applications conduit à l'utilisation de réseaux
Maître / Esclave.
Au niveau de l'entreprise, le temps n'est plus critique et la norme Ethernet a pu se développer
rapidement, permettant ainsi la visualisation et la commande des process via le réseau
Internet.
La tendance actuelle est à l'introduction des réseaux Ethernet au plus près des automatismes
(exemple : norme Profinet).
XI CRITERES DE CHOIX D'UN AUTOMATE : Le choix d'un automate programmable est en premier lieu le choix d'une société ou d'un
groupe et les contacts commerciaux et expériences vécues sont déjà un point de départ.
Les grandes sociétés privilégieront deux fabricants pour faire jouer la concurrence et pouvoir
"se retourner" en cas de "perte de vitesse" de l'une d'entre elles.
Le personnel de maintenance doit toutefois être formé sur ces matériels et une trop grande
diversité des matériels peut avoir de graves répercussions. Un automate utilisant des langages
de programmation de type GRAFCET est également préférable pour assurer les mises au
point et dépannages dans les meilleures conditions.
40
La possession d'un logiciel de programmation est aussi source d'économies (achat du logiciel
et formation du personnel). Des outils permettant une simulation des programmes sont
également souhaitables.
Il faut ensuite quantifier les besoins :
• Nombre 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 parle 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 et 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 ...).
41
CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION
D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
42
XII LANGAGES DE PROGRAMMATION : Il existe 4 langages de programmation des automates qui sont normalisés au plan mondial par
la norme CEI 61131-3.
Chaque automate se programmant via une console de programmation propriétaire ou par un
ordinateur équipé du logiciel constructeur spécifique.
XII.1 Liste d'instructions (IL : Instruction list) :
Langage textuel de même nature que l'assembleur (programmation des microcontrôleurs).
Très peu utilisé par les automaticiens.
Figure 38 : Exemple de langage IL
XII.2 Langage littéral structuré (ST : Structured Text) :
Langage informatique de même nature que le Pascal, il utilise les fonctions comme if ... then
...else ... (si ... alors ... sinon ...). Peu utilisé par les automaticiens.
Figure 39 : Exemple de langage ST
43
XII.3 Langage à contacts (LD : Ladder diagram) :
Langage graphique développé pour les électriciens. Il utilise les symboles tels que : contacts,
relais et blocs fonctionnels et s'organise en réseaux (labels). C'est le plus utilisé.
Figure 40 : Exemple de langage LLD
44
XII.4 Blocs Fonctionnels (FBD : Function Bloc Diagram) :
Langage graphique ou des fonctions sont représentées par des rectangles avec les entrées à
gauche et les sorties à droites. Les blocs sont programmés (bibliothèque) ou programmables.
Utilisé par les automaticiens.
Figure 41 : Exemple de langage FBD
XIII PROGRAMMATION A L'AIDE DU GRAFCET (SFC : SEQUENTIAL FUNCTION CHART) :
Le GRAFCET, langage de spécification, est utilisé par certains constructeurs d'automate
(Schneider, Siemens) pour la programmation. Parfois associé à un langage de programmation,
il permet une programmation aisée des systèmes séquentiels tout en facilitant la mise au point
des programmes ainsi que le dépannage des systèmes. On peut également traduire un grafcet
en langage en contacts et l'implanter sur tout type d'automate.
Figure 42 : Exemple de GRAFCET
XIV GRAFCET (GRAPHE FONCTIONNEL DE COMMANDE ETAPES–TRANSITIONS). :
Le GRAFCET est destiné à représenter des automatismes logiques (ou discrets), c’est à dire
des systèmes à événements discrets dans lesquels les informations sont de type booléennes ou
45
peuvent s’y ramener. Le GRAFCET est utilisé généralement pour spécifier et concevoir le
comportement souhaité de la partie commande d’un système, mais il peut également être
utilisé pour spécifier le comportement attendu de la partie opérative ou bien de tout le système
de commande.
XIV.1 But du GRAFCET
Lorsque le mot GRAFCET en Capital est utilisé, il fait référence à l’outil de modélisation.
Lorsque le mot grafcet est écrit en minuscule, il fait alors référence à un modèle obtenu à
l’aide des règles du GRAFCET. Présenté sous forme d’organigramme, son but est la
description du fonctionnement de l’automatisme contrôlant le procédé. C’est tout d’abord un
outil graphique, puissant, directement exploitable, car c’est aussi un langage pour la plupart
des API existants sur le marché.
Il comprend :
– des étapes associées à des actions ;
– des transitions associées à des réceptivités ;
– des liaisons orientées reliant étapes et transitions.
46
Figure 43 : Symbolisation du GRAFCET
Fig. : Symbolisation du grafcet
• Chaque étape est représenté par un carré repéré numériquement ;
• Les étapes initiale, représentant les étapes actives au début du fonctionnement, se
différencient en doublant le côté du carré ;
• Le actions associées sont écrites de façon littérale ou symbolique, à l’intérieur d’un ou
plusieurs rectangles, de dimensions quelconques, relié à la partie droite de l’étape ;
− Les transitions sont représentées par des barres ;
− La réceptivité sont inscrites à droite.de la transition sauf cas particulier.
47
XV LE LANGAGE A CONTACT OU LADDER Le Langage graphique très populaire auprès des automaticiens pour programmer les
automates programmables industriels (PLC) :
• Permet d’écrire un programme de contrôle sous la forme d’un circuit électrique
comportant des interrupteurs.
• À la différence d’un programme s’exécutant sur un microprocesseur, les programmes
LLD s’exécutent en mode de balayages répétés.
Le langage à contact est adapté à la programmation de traitements logiques, il utilise le
schéma développé.
Nous retrouvons : La fonction ET en utilisant des contacts en série
La fonction OU en utilisant des contacts en parallèle
Graphe Désignation Fonction Schéma à Contact
Contact à fermeture contact passant quand il est
actionné
Contact à ouverture
contact passant quand il
n’est pas actionné
connexion
horizontale
permet de relier les
éléments action série
connexion verticale
permet de relier les
éléments action en parallèle
bobine directe
la sortie prend la valeur du
résultat logique
bobine inverse
la sortie prend la valeur
inverse du résultat logique
bobine
d’enclenchement
le bit interne est mis à 1 et
garde cet état
bobine
déclenchement
le bit interne est mis à 0 et
garde cet état
Tableau 1 : Représentation des éléments principaux du LLD
Un bit étant une mémoire interne logique prenant la valeur 0 ou 1
48
Une bobine d’enclenchement S « set » et bobine de déclenchement R « reset » correspondent
à un relais bistable.
En plus des blocs fonctions logiques d’automatisme, il existe les blocs de temporisation, de
comptage ...
Le réseau à contact s’inscrit entre deux barres verticales représentant la tension d’alimentation
Figure 44 : Mode d'exécution des instructions en LLD
XVI GRAFCET ET LANGAGE LADDER Même si la forme est très différente, ces deux langages ont de nombreux points communs.
• tous deux décrivent un automatisme séquentiel sous forme graphique
• le fonctionnement est découpé en structures élémentaires que le Grafcet appelle étapes
• la progression d'une étape à l'autre se fait à la suite de la survenue d'un événement
Dans un cas comme dans l'autre, la structure élémentaire, l'étape en Grafcet, est constituée
d'une fonction mémoire.
Cette fonction mémoire est mise à 1 si deux conditions sont vraies simultanément :
• l'étape précédente est active (à 1)
• l'évènement associé est vrai. (La réceptivité du Grafcet)
La mémoire est mise à 0 lorsque l'étape de la mémoire suivante est à 1 ou pendant la phase
initiale.
49
Figure 45 : Exemple de fonction mémoire GRAFCET
L'étape initiale possède une spécificité, elle doit être mise à 1 lors de la phase initiale du
fonctionnement. Sa structure reprend la précédente avec une modification
Figure 46 : Equivalence de la figure 45 en LADDER
Le Grafcet cache la structure montrée ci-dessus derrière le carré de l'étape et les différents
traits.
Le LADDER demande que l'utilisateur explicite complètement la structure, il met en œuvre
un graphisme de norme américaine.
XVI.1 Traduction d'un fonctionnement explicité sous forme d'un
Grafcet en son équivalent LADDER
Rappel de la fonction mémoire de l'électricien
Cette fonction mémoire utilise des dispositifs électromécaniques, des boutons poussoir, des
relais avec leurs contacts.
50
Figure 47 : Mémoire avec priorité à l'arrêt
Figure 48 : Mémoire avec priorité à la marche
Généralisation
La fonction mémoire, sous l'une ou l'autre forme, comprend :
• un relais et son contact
• un ordre de mise en marche, représenté ici par le BP marche
• un ordre de mise à l'arrêt, représenté ici par le BP arrêt
Traduction Grafcet vers LADDER
Le langage LADDER est graphique, il utilise la représentation des circuits à contacts, comme
ci-dessus, même pour écrire un programme destiné à un automate programmable.
Compte tenu des règles d'évolution du Grafcet, on emploiera la structure de mémoire avec
priorité à la marche.
Le principe de traduction est le suivant : à partir du schéma de la figure 4 remplacer le BP
marche par les contacts représentant l'ordre de mise en marche comme expliqué en figure
45mêmes choses pour remplacer le BP arrêt.
XVII ORGANISATION D'UN PROGRAMME D'AUTOMATE PROGRAMMABLE
L'exécution du programme d'un API est confiée à un microcontrôleur, il ne peut réaliser
qu'une tâche à la fois. Or, un circuit doit réagir rapidement aux sollicitations des entrées. Le
programme d'un API doit être organisé afin de respecter cette contrainte.
On a choisi de concevoir le programme afin qu'il s'exécute de manière cyclique avec une
durée la plus courte possible ou tout au moins d'une durée acceptable.
51
Pour un programme reproduisant un Grafcet on trouve le cycle, simplifié suivant :
• lecture de toutes les entrées
• mise à jour de la table représentative de l'état des entrées
• consultation de la table représentant l'état des étapes
• prise de décision concernant l'activation et la désactivation des étapes
• mise à jour de la table représentant l'état des étapes
• application de l'état des étapes aux sorties
• mise à jour de la table représentant l'état des sorties
• retour au début.
La durée de cycle s'étend de quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes
On remarque que ce modèle fait une distinction entre l'état des étapes et l'état des sorties. Une
sortie pouvant être active sur plusieurs étapes, une étape pouvant activer plusieurs sorties.
La prise de décision se fait en comparant la table des entrées à la table des étapes, selon les
règles d'évolution du Grafcet.
La réaction de l'API n'est pas instantanée mais de durée suffisamment courte pour être
acceptable.
52
CHAPITRE IV
SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O
53
XVIII I. INTRODUCTION Le logiciel FACTORY I/O est un logiciel produit par la société RealGames implanté aux
Etats-Unis. FACTORY I / O est un bac à sable d’automatisation en temps réel où construire et
simuler des systèmes industriels et les utiliser avec les technologies d'automatisation les plus
courantes sont possibles. Cette simulation entièrement interactive comprend la physique de
pointe, des graphismes de haute qualité et le son, offrant un environnement réaliste.
FACTORY I / O utilise une technologie innovante qui permet une création simple et rapide de
systèmes industriels 3D. L'un des systèmes intégrés peuvent être contrôlés en temps réel en se
connectant FACTORY I / O aux technologies externes, à la fois matériel et logiciel. C’est un
outil pédagogique précieux pour la formation de techniciens et futurs ingénieurs dans
plusieurs programmes et des cours tels que l'automatisation industrielle, génie électrique,
génie mécanique et beaucoup plus.
Avec le Logiciel Connect I/O, qui est associé à FACTORY I/O, on peut développer notre
propre pilote pour faire marche la simulation
XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION
XIX.1 II.1 Les éléments nécessaires pour élaborer le système :
On va simuler un centre de tri d’objet automatisé.
Figure 49:simulation de tri d'objet automatisé
Pour cette simulation, les éléments nécessaires sont :
-Un émetteur d’objet
-Deux convoyeurs 6m.
54
- deux capteurs de proximité C1 et C2.
- deux capteurs photosensibles CP1 et CP2
-Trois moteurs pivots MP1, MP2 et MP3
-Un stoppeur S1
- trois suppresseurs d’objet.
-un bouton Marche
-un bouton Arrêt
-Un indicateur lumineux marche (vert)
-Un indicateur lumineux arrêt (rouge)
-Un bouton d’arrêt d’urgence
-Un bouton reset
XIX.2 L’organigramme :
Donc on aura l’organigramme suivant :
DETECTION DE L’OBJET
OUVERTURE DU
STOPPEUR ET
ACTIONNER LE PIVOT
FERMETURE DU STOPPEUR
DESACTIONNER PIVOT
DEBUT
55
XIX.3 GRAFCET
0
Objet arrivé au niveau du stoppeur
1 2 3 4
5
6
Descente du stoppeur
Remonter le stoppeur
Arrêt du pivot actionné
Mise en marche de
pivot1 ou 2 ou 3
L’objet franchis le stoppeur
L’objet descend vers le suppresseur
Mise en marche des convoyeurs
56
CONCLUSION
L’API a complètement changé le monde de production des entreprises. Les industriel a trouvé
un nouveau mode de travail enfin de mieux exploiter tous aspect de la production. Mais ceci
n’était pas possibles sans d’abord élaborer un système automatisé performant et fiable pour
limiter le coût de la production, diminuer le nombre de personnel, accroitre le niveau de
sécurité des personnels et enfin la travailler dans un environnement plus attractif.
L’importance de des langages de programmation est donc primordiale pour pouvoir
commander les API. La maitrise de Grafcet et la conversion en langage LADDER est à ce
jour la méthode la mieux adaptée pour piloter un API.
Il est très facile pour les entreprise aujourd’hui d’adopter leurs modes de production en
utilisant les API car beaucoup il y a déjà beaucoup d’API déjà disponibles sur le marché. Mais
il faut juste avoir les personnels qualifiés pour la manutention des matériels électriques.
Le logiciel FACTORY I/O un est formidable outil pour les étudiants pour mieux maitriser les
systèmes automatisés et savoir adapter la programmation d’un API. Car c’est un logiciel
facile à manipuler, rapide et très attractif.
Madagascar pourrait beaucoup bénéficier de cette technologie pour accroître la compétitivité
des entreprises malgaches sur la scène mondial.
1
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
N° TITRE AUTEUR EDITION [1] Cours de systèmes asservis J.Baillou,
J.P.Chemla
[2] Cours API, Automates Programmables Industriels. http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/publiperso/polyAPI.pdf
L. BERGOUGNOUX
[3] LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS
William Bolton DUNOD
[4] Les automates programmables industriels. http://sitelec.org/download_page.php?filename=cours/automates_programmables_industriels.pdf
A.Gonzaga
[5] LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION INDUSTRIEL
GEORGES ASH et Coll.
Broché
1
ANNEXES
2
1
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 1
CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES.............................................................................................. 2
I Introduction aux systèmes automatisés ..................................................................................... 3
I.1 Fonction globale d'un système ............................................................................................ 3
I.1.1 Matières d’œuvre ............................................................................................................ 3
I.1.2 Valeur ajoutée ................................................................................................................. 3
I.1.3 Contexte et valeur ajoutée .............................................................................................. 4
I.2 Système de production ....................................................................................................... 4
II Automatisation ............................................................................................................................ 5
II.1 PARTIE COMMANDE. ........................................................................................................... 5
II.1.1 Objectifs de l'automatisation ...................................................................................... 5
II.1.2 Conduite et surveillance d'un système automatisé .................................................... 6
III Structure d'un système automatisé ............................................................................................ 7
III.1 Partie Opérative : ................................................................................................................ 9
III.1.1 Les actionneurs : .......................................................................................................... 9
a - Les actionneurs électriques : ....................................................................................... 9
- Moteur à courant alternative : .................................................................................... 9
- Les moteurs pas à pas ............................................................................................... 10
- Une machine électrique à courant continu est constituée : ..................................... 11
b - Les actionneurs pneumatiques ................................................................................. 11
- Les vérins pneumatiques : ......................................................................................... 11
- Type des vérins : ........................................................................................................ 11
c - Autre actionneurs .......................................................................................................... 13
III.1.2 LES PREACTIONNEURS ............................................................................................... 14
a - Les contacteurs et les relais: ..................................................................................... 14
III.1.3 LES CAPTEURS: ........................................................................................................... 17
a - Les capteurs tout ou rien ........................................................................................... 17
- Le Détecteur inductif ................................................................................................. 18
- Le détecteur capacitif ................................................................................................ 19
- Les détecteurs photoélectriques ............................................................................... 19
- Les détecteurs de niveau ........................................................................................... 20
- Le détecteur de pression ........................................................................................... 20
b - LES CAPTEURS ANALOGIQUES ................................................................................... 21
2
III.1.4 LES TRANSMETTEURS ................................................................................................ 21
CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL ...................................................................... 23
IV HISTORIQUE ............................................................................................................................... 24
IV.1 Contraintes du monde industriel :..................................................................................... 24
IV.2 Définition : ......................................................................................................................... 25
V Place de l'API dans le système automatisé de production (S.A.P.) : ......................................... 25
V.1 Les systèmes automatisés de production : ....................................................................... 25
V.2 Structure d'un système automatisé : ................................................................................ 25
V.2.1 Partie opérative : ....................................................................................................... 26
V.2.2 Partie commande : .................................................................................................... 26
V.2.3 Poste de contrôle : .................................................................................................... 27
V.3 Domaines d'emploi des automates : ................................................................................. 27
V.4 Nature des informations traitées par l'automate : ........................................................... 27
VI Architecture des automates : .................................................................................................... 27
VI.1 Aspect extérieur : .............................................................................................................. 27
VI.2 Structure interne ............................................................................................................... 29
VI.3 Fonctions réalisées : .......................................................................................................... 29
VII Câblage des entrées / sorties d'un automate : ..................................................................... 31
VII.1 Câblage des entrées / sorties d'un automate : ................................................................. 31
VII.2 Alimentation des entrées de l'automate : ......................................................................... 32
VII.3 Alimentation des sorties de l'automate : .......................................................................... 33
VIII Traitement du programme automate ................................................................................... 33
IX Sécurité : .................................................................................................................................... 35
X Les automates et la communication : ....................................................................................... 36
X.1 Les bus de terrain : ............................................................................................................ 36
X.2 Les réseaux de terrain : ..................................................................................................... 38
XI Critères de choix d'un automate : ............................................................................................. 39
CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE .......................... 41
XII Langages de programmation : ............................................................................................... 42
XII.1 Liste d'instructions (IL : Instruction list) : .......................................................................... 42
XII.2 Langage littéral structuré (ST : Structured Text) : ............................................................. 42
XII.3 Langage à contacts (LD : Ladder diagram) : ....................................................................... 43
XII.4 Blocs Fonctionnels (FBD : Function Bloc Diagram) : .......................................................... 44
XIII Programmation à l'aide du GRAFCET (SFC : Sequential Function Chart) : ............................ 44
3
XIV GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes–Transitions). :................................. 44
XIV.1 But du GRAFCET............................................................................................................. 45
XV Le langage à contact ou Ladder ............................................................................................. 47
XVI Grafcet et langage LADDER ................................................................................................... 48
XVI.1 Traduction d'un fonctionnement explicité sous forme d'un Grafcet en son équivalent
LADDER ....................................................................................................................................... 49
XVII Organisation d'un programme d'automate programmable ................................................. 50
CHAPITRE IV ........................................................................................................................................... 52
SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O ......................................................................... 52
XVIII I. INTRODUCTION .................................................................................................................. 53
XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION ................................................................................................. 53
XIX.1 II.1 Les éléments nécessaires pour élaborer le système : ............................................. 53
XIX.2 L’organigramme :........................................................................................................... 54
XIX.3 GRAFCET ........................................................................................................................ 55
CONCLUSION ......................................................................................................................................... 56
ANNEXES .................................................................................................................................................. 1
Titre : AUTOMATE PRROGRAMMABLE INDUSTRIEL ETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O Nombre de page : 56 Nombre de figure : 49 Nombre de tableau : 1 Nombre d’annexe : 1
Résumé :
Depuis quelques années, les entreprises industrielles s’orientent vers l’utilisation des technologies numérique pour pallier aux différentes contraintes dans la fabrication des produits finis. Ces contraintes peuvent être de temps, de coût, de sécurité ou de faisabilité.
L’automate Programmable Industriel (API) est l’outil nécessaire pour résoudre ces différents problèmes.
Mais ceci requiert, avant tout, une connaissance accrue dans les systèmes automatisés. A commencer par élaborer un système automatisé fiable jusqu’aux choix des éléments utiliser pour la composition d’un circuit automatisé.
La connaissance des langages de programmations de ces API constitue aussi une étape essentielle dans la réalisation d’un système automatisé de production.
Ce mémoire consiste à étudier tous les aspects des systèmes automatisés de production afin d’ élaborer un langage adéquat pour commander un automate programmable industriel.
Mots Clés : automate, API, programmation, langage, automatisme, capteurs, actionneurs, GRAFCET, Ladder.
Abstract:
In recent years, industrial companies are moving toward the use of digital technologies to overcome the various constraints in the manufacture of a finished product. These constraints can of time, cost, safety or feasibility.
The Programmable Logic Controller (PLC) is the necessary tool to solve these problems.
But this requires above all increased knowledge in automated systems. A first develop a reliable automated system to the choice of elements used for the composition of an automated system.
Knowledge of PLC programming of these languages is also an essential step in the realization of an automated production system.
This dissertation is to study all aspects of automated production systems to develop an appropriate language for controlling programmable logic controller.
Keywords: PLC, programming, language, automation, sensors, actuators, GRAFCET, Ladder
Impétrant: Directeur de mémoire: RAZAFILEMATANA Robertin GSM: 034 29 920 26 Email: razafilematana@yahoo.fr
Monsieur AMDRIAMANOHISOA Hery Zo
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