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Cours : Automates Programmables Industriels, par Sidi Mohammed ABDI, ESSAT 2020. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Cours : Automates Programmables Industriels, par Sidi Mohammed ABDI, ESSAT 2020. API & GRAFCET GRAphe Fonctionnel de Commande Etape Transition I Architecture d'un Système Automatisé de Production (SAP) Les automatismes doivent améliorer les conditions de travail et la productivité de l’entreprise, ils sont d’une structure générale composée de 3 parties fondamentales, à savoir la partie opérative (P.O.), commande (P.C.), et Interface homme machine [1]. La partie opérative (P.O.) Dite également partie puissance, c’est la partie visible du système (corps) qui permet de transformer la matière d’œuvre entrante, elle est composée d’éléments mécaniques, d’actionneurs (vérins, moteurs), de pré actionneurs (distributeurs et contacteurs) et des éléments de détection (capteurs, détecteurs). Pour réaliser les mouvements il est nécessaire de fournir une énergie à la PO. Dans le cadre des SAP nous trouverons principalement les trois suivantes : - Electrique - Pneumatique (air sous pression). - Hydraulique (huile sous pression). La partie commande (P.C.)

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API & GRAFCET

GRAphe Fonctionnel de Commande Etape Transition I Architecture d'un Système Automatisé de Production (SAP)

Les automatismes doivent améliorer les conditions de travail et la productivité de l’entreprise, ils sont d’une structure générale composée de 3 parties fondamentales, à savoir la partie opérative (P.O.), commande (P.C.), et Interface homme machine [1].

La partie opérative (P.O.)

Dite également partie puissance, c’est la partie visible du système (corps) qui permet de transformer la matière d’œuvre entrante, elle est composée d’éléments mécaniques, d’actionneurs (vérins, moteurs), de pré actionneurs (distributeurs et contacteurs) et des éléments de détection (capteurs, détecteurs). Pour réaliser les mouvements il est nécessaire de fournir une énergie à la PO. Dans le cadre des SAP nous trouverons principalement les trois suivantes : - Electrique - Pneumatique (air sous pression). - Hydraulique (huile sous pression).

La partie commande (P.C.)

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C’est la partie qui traite les informations, elle gère et contrôle le déroulement du cycle (cerveau). C’est un ordinateur, un automate (API) ou un circuit logique.

L’interface Homme Machine (HMI)

Permet d’intervenir sur le système (marche, arrêt, arrêt d’urgence…) et de visualiser son état (voyants).

Le cahier des charges

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Le cahier des charges est un document ou sont spécifiées toutes les fonctions, toutes les valeurs des grandeurs physiques et tous les modes d'utilisation du matériel. [2] La conception d’un automatisme nécessite un dialogue entre la demande et l’offre. D’une part, la demande (client) définit le cahier des charges qui contient les besoins et les conditions de fonctionnement de la machine et du processus, d’autre part, l’offre propose des solutions. (Fournisseur de service, bureau d’études, constructeur). Ce dialogue n'est pas toujours facile : le client ne possède peut-être pas la technique lui permettant de définir correctement son problème, ou le langage courant ne permet pas de lever toutes les ambiguïtés dues au fonctionnement de la machine (surtout si des actions doivent se dérouler simultanément). C'est pourquoi l'ADEPA (Agence pour le Développement de la Productique Appliquée à l'industrie) a créé le GRAFCET en 1977 que l’on normalise après en 1982 par la NF C03-190). Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande des étapes et Transitions) est l'outil de représentation graphique d'un cahier des charges. Pourquoi une norme pour la description d’automatismes ?

Le Grafcet devrait non seulement permettre que les 3 premiers dessins soient identiques mais encore qu’ils représentent réellement ce dont a besoin l’utilisateur (dessin 6). Par la synthèse directe, on devrait également supprimer les déformations que la phase de réalisation fait subir

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au cahier des charges (dessins 4 et 5). Mais tout n’est pas si simple”. (M. Blanchard, un des créateurs du Grafcet) [3]

Rappel sur les systèmes combinatoires …………. En construction …… (facultatif pour les 5eme en automatique) II Le Grafcet

Introduction

Grafcet est un acronyme de (Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition), c’est un langage graphique facile à comprendre et à interpréter à travers des règles universelles. Ce concept est largement utilisé par les fabricants pour analyser et modéliser la commande d’un automatisme séquentiel. Un atout très motivant pour se familiariser avec le grafcet, c’est la simplicité de traduire ce langage en LADDER, ce dernier est fonctionnel sur tous les automates programmables.

Le langage grafcet

C’est un graphe qui comporte trois types d’éléments graphiques de base : les étapes (ou les places) et les transitions. Des arcs orientés relient les étapes aux transitions et les transitions aux étapes, généralement, si le sens de parcours n’est pas indiqué par une flèche, le cheminement est du haut en bas et de la gauche vers la droite. Comme aperçu rapide, sur la figure 1 est donné un exemple d’un grafcet, une étape initiale notée « a », cette étape est impérativement présente dans chaque grafcet, elle sera active dès la mise en service de l’automate programmable. Si la ou les conditions réunies dans l’équation « M » sont VRAI, alors « a » est désactivée et « b » sera active, c’est ce qui est dit séquence unique. D représente une ou plusieurs actions susceptibles à être exécutées durant le séjour dans l’étape « b ».

Figure 1 Example de GRAFCET

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III Les éléments du grafcet

Etape

Une étape présente un état stable de la séquence étudiée, c-à-d tant que les sorties ne changent pas. Chaque étape est identifiée par un numéro unique. L’activité d’une étape est représentée par une variable booléenne Xn où n est le numéro de l’étape. Pour représenter une étape active, on peut par exemple ajouter une marque dans l’étape.

On peut associer une action à une étape (qui s’effectuera quand l’étape sera active) :

III.1.1 Etape source :

Les étapes sources ne sont pas précédées d’une transition. Une étape source est soit définie comme initiale, soit activée par un autre grafcet, soit une étape activée d’une encapsulation.

III.1.2 Etape puit

Etape qui n’est pas suivie d’une transition, c-à-d il n’y a aucune évolution après cette situation. Pour débloquer la séquence il faut un réarmement automatique ou manuel du système.

Transition

Elle indique une unique possibilité d’évolution entre deux ou plusieurs étapes. A côté de la transition, on doit indiquer la condition de validation (réceptivité). Si la condition est toujours vraie, on indique “1” ou “=1”. Lorsque toutes les étapes d’entrées sont actives, la transition est validée ou franchissable, elle est alors franchie dès que la réceptivité est vraie [4].

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III.2.1 Réceptivités

On associe à chaque transition une condition logique appelée réceptivité qui peut être soit vraie, soit fausse. Elle peut être fonction des variables externes (entrées, consignes affichées par l'opérateur) ou internes (compteurs, temporisations, étapes actives ou inactives) [2]. Voir par exemple :

III.2.2 Variantes de transitions (ET, OU)

Les transitions peuvent décrire des convergences ou des divergences en ET ou en OU selon le besoin de modélisation. Les schémas suivants nous indiquent l’utilisation de ces variantes de transition [5] [2]. ET : Dit parallélisme structural. Le but est de permettre à l'automatisme d'exécuter des séquences de façon simultanée OU : Il s'agit d'un aiguillage ou d'une sélection de séquence selon certaines conditions données par les réceptivités associées aux transitions.

• Une divergence en OU commence et se termine toujours par une transition • Une divergence en ET commence et se termine toujours par une étape.

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Liaisons orientées

- Conventionnellement la séquence se déroule de haut en bas, et il faut indiquer le sens par une flèche dans le cas contraire.

- Si deux lignes se croisent, il n’y a aucune relation entre elles, il est mieux donc d’éviter

cette situation et utiliser dans la convergence / divergences des lignes décalées tel que sur la figure suivante :

- Il est possible d’utiliser des renvois de continuité d’un grafcet, dans ce cas il faut utiliser la mention « depuis » ou « vers » suivie de la page, et l’étape ou la transition. Ajouter un exemple

IV Règles de syntaxe

Il faut respecter l'alternance étape - transition, c-à-d, il ne faut jamais avoir une liaison directe entre deux étapes ou entre deux transitions. Une divergence en OU commence et se termine toujours par une transition et une divergence en ET commence et se termine toujours par une étape. Notons quelques erreurs de syntaxe souvent commises telles que :

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Exercice : Les deux grafcets suivants, sont-ils équivalent ?

V Règles d’évolution

REGLE 1 : Situation initiale

On appelle situation du grafcet (à un instant donné) l’ensemble des étapes actives à cet instant. Elle correspond à un état du système. L’évolution de la situation se fait par franchissement de transitions. Tout Grafcet doit contenir au moins une étape initiale, la situation initiale doit être précisée par une ou plusieurs étapes actives au début du fonctionnement.

REGLE 2 : Franchissement d’une Transition

On appelle situation du grafcet (à un instant donné) l’ensemble des étapes actives à cet instant. Elle correspond à un état du système. L’évolution de la situation se fait par franchissement de transitions [3]. Une transition est franchissable si et seulement si :

?????

?????

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- les étapes en amont de la transition sont actives (on dit que la transition est alors validée) - la réceptivité de la transition est vraie. On franchit alors la transition en : - désactivant toutes les étapes précédant la transition, - activant toutes les étapes suivant la transition, simultanément.

REGLE 3 : Franchissements simultanés

Le franchissement d'une transition entraîne l'activation de toutes les étapes qui suivent immédiatement cette transition et la désactivation de toutes les étapes qui précèdent immédiatement cette transition. (Figure [4])

REGLE 4 : Activations et désactivation simultanées

Une étape qui est activée et désactivée par un franchissement unique ou simultané reste active. Exemple de modélisation

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Etapes : a (initiale), b et c Transitions : M, B, et C Actions : D et G VI Les actions associées aux étapes

Les actions associées à une étape sont inscrites dans un rectangle d’action de façon à mettre en évidence ce qui peut s’exécuter lorsque cette étape est active. Souvent, il s’agira de commande d’actionneurs (vérins, moteurs, …) ou de fonctions auxiliaires d’automates (compteur, temporisateur, …). Elles peuvent aussi décrire des liens avec d’autres systèmes logiques ou analogiques (changement de vitesse moteur par exemple).

Action continue

C’est la plus basique, l’action est effectuée tant que l’étape à laquelle elle est associée est active.

Action conditionnelle

C'est une action continue dont l'exécution est soumise à une condition logique.

Action mémorisée

Cette action sera mise en exécution dès l’activation de l’étape associée, mais qui ne s’arrêtera que sur un ordre et non pas par la désactivation de l’étape associée. Selon la norme on utilise une affectation comme (action : = 1) ou bien les lettres S (set) et R (reset).

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Actions temporisées

Nous retrouverons un contenu très étendu des librairies de temporisateurs dans les éditeurs de programmations des API. Nous citerons quelques-uns [6]:

VI.4.1 Retardée (D)

C'est un cas particulier d'un ordre conditionnel ou le temps intervient comme condition logique.

VI.4.2 Durée limitée (L)

L'ordre est émis immédiatement dès l'activation de l'étape à laquelle il est associé, mais sa durée est limitée à la valeur spécifiée.

Exemple : l’action A est retardée de 3s, l’action B dure 1s au plus (si l’étape 2 est active plus d’une seconde)

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Exemple :

VII Structurations et organisations des grafcet

Introduction

Le besoin de sous-programmes en informatique et en automatique relève de deux objectifs différents [6] :

- Un objectif de structuration où on aboutit à une structure de GRAFCET multigraphes dont la réalisation en technologie programmée pourra utiliser des concepts informatiques de sous-programmes ou procédures.

- Un objectif d’organisation et sans erreur de syntaxe, (c'est-à-dire de minimisation de lignes du programme, sans aucun rapport avec l'application, dans le cas d'une réalisation programmée). A cet objectif correspond le cas des automatismes comportant des tâches répétitives. Le GRAFCET permet évidemment lui aussi de décrire ces simplifications d'écritures. Le concept de la programmation orientée objet est très utile à travers la définition des fonctions et des instances des fonctions blocs.

Macro-étape

C’est une manière de rendre le grafcet principale moins encombré. En effet, on peut décrire une séquence de plusieurs taches par une seule étape, cette étape est dite macro-étape. Les détails de la séquence seront décrits par un ensemble d’alternance d’étape / transition que l’on appelle expansion de la macro-étape [5].

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Appel de fonction

Une fonction ou une tâche peut être appelée plusieurs fois par un grafcet principale, elle doit avoir une évolution cyclique avec des étapes ou des transitions sources. Sur l’exemple suivant il faut bien souligner l’évènement |X14 + |X16 qui est un front montant, sinon on aura une transition fugace et qui risque de ne pas fonctionner correctement ou d’avoir un comportement aléatoire !

Question : Analyser l’évolution à partir de l’étape 14 jusqu’à l’étape 16 ?

Encapsulation

Ce concept d’organisation est très efficace pour décrire des automatismes d’une façon très claire et compréhensible. On profite de la partition des séquences en grafcet partiels d’une manière hiérarchique, et utiliser des appels. Le grafcet encapsulé est construit dans un rectangle où l’on note en bas son nom (au choix), et en haut le numéro de l’étape d’encapsulation.

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L’exemple suivant est repris de [5], et décrit parfaitement l’encapsulation et les règles qui lui sont associées.

On note :

- X1/G1 : pour dire que le grafcet G1 est encapsulé par l’étape (1) - X3/X22 : désigne que l’étape (22) - Une encapsulation peut contenir à son tour d’autres encapsulations - X3/X26/X43 : désigne l’étape (43)

L’étape encapsulate X1 est une étape initiale, donc au moins une étape initiale doit figurer dans le grafcet encapsulé (X10 dans cet exemple). Ces étapes initiales sont soumises aux règles générales des grafcets. Si l’évolution du grafcet principale revienne à l’étape X1 par une évolution normale, alors c’est l’étape X11 qui sera active et non pas X10. Les étapes de début de séquences sont repérées grâce à un astérisque à gauche de l’étape. Ces étapes de début différent des étapes initiales, qui rappelons-le ! les étapes initiales sont actives par la mise sous énergie ou par l’ordre INIT. Deux encapsulations sont contenues dans l’étape (3), c’est les grafcet partiels G2 et G3. Quand (3) est inactive, aucun grafcet partiel ne doit être active, et par conséquent, toutes les étapes associées à ces grafcets sont inactives. Si l’étape (3) devient active, alors les étapes (22), (23) et (31) sont activées. La désactivation de (3) par n’importe quelconque moyen provoque la désactivation de toutes les étapes subordonnées, c-à-d celles de G2, G3 et G4. Exercice :

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Le dispositif concerné est représenté sur la figure ci-dessus. Les deux bacs sont utilisés de façon similaire. Le bac 1 est vide lorsque le niveau est au-dessous de b1, c'est-à-dire b1 = O. Il est plein lorsque le niveau est au-dessus de h1 c'est-à-dire h1 = 1. A l'état initial, les deux bacs sont vides. Au moment où on appuie sur le bouton poussoir m, les deux bacs se remplissent grâce à l'ouverture des vannes V I et V2. Dès qu'un bac est plein, par exemple le bac 1, on arrête son remplissage (fermeture de la vanne V1) et l'on commence à utiliser son contenu (ouverture de la vanne W1). Lorsque le bac I est vide, on ferme la vanne W1. Le remplissage ne pourra recommencer que lorsque les deux bacs seront vides. Ce remplissage sera déclenché par appui sur le bouton poussoir m.

VIII Le GEMMA

GEMMA signifie Guide pour l’Etude des Modes de Marche et d’Arrêt. C’est une méthode d’organisation et de classification des situations globales d’une évolution d’un système automatisé. Bien plus globale que les macros-états, les modes d’un automatisme sont représentés par rectangles-états, ces derniers permettent de définir les modes possibles d’entrer en marche, et les modes possibles qui mènent vers l’arrêt. Pour pouvoir conduire, exploiter, maintenir un système automatisé tout au long de son cycle de vie, il est nécessaire de prévoir, dès sa conception, toutes les situations de marche et d'arrêt. On estime qu’un projet d’automatisation est achevé si on est capable de répondre sans ambiguïté aux questions suivantes :

• Comment peut-on mettre en marche ou arrêter son fonctionnement ? • Peut-on prévoir des modes de marches spécifiques pour procéder à son réglage, à sa

maintenance ? • Quels critères doit-on prendre pour assurer la sécurité du personnel et du matériel ? • Quelles seront les conséquences d’un arrêt d’urgence sur le personnel et le matériel ?

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• Après un arrêt d’urgence, dans quelles conditions peut-on remettre le système à nouveau en marche ?

• Peut-on prévoir un scénario pour mettre le système en situation de repli en fin de journée pour assurer sa sécurité en d’autres ?

• Quelles seront les conséquences de la mise du système « en hors énergie » ?

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IX Quelques Eléments complémentaires d’un GRAFCET

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Bien sûr on peut enrichir ce tableau par d’autres qualificatif et d’autres fabriquant. X Automate programmable industriels (S7- SIEMENS)

Introduction

Un API est un appareil électronique qui offre a l’utilisateurs un nombre d’entrée et de sorties configurables. Un logiciel de programmation lui est dédié et permet de construire des séquences ou des tâches d’automatismes, et de correspondre chaque situation des entrées une situation des sorties. Les API sont d’une conception robuste et destinés pour fonctionner dans un milieu industriel et en temps réel. Aujourd’hui, les API dépassent largement les simples automatismes, ils sont dotés des unités de traitement et de librairies mathématiques puissantes, ainsi des fonctions de transferts numériques pour assurer la régulation industrielle et même quelques commandes comme la logique floue. Nous retrouvons aussi une intégration d’une organisation de la communication spécialement par des bus de terrain et des protocoles industriels comme modbus, profibus, profinet, ethernet … etc. Vu la disponibilité d’un nombre de fournisseurs d’API, et chacun utilise un environnement de programmation dédié, dans ce cours nous avons choisi les outils de siemens pour montrer comment mettre en œuvre des automatismes.

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Structure interne d’un automate programmable industriel (API)

En résumé, Les API se composent de quatre parties principales :

• La CPU, processeur de traitement • La mémoire, mémoire de stockage et mémoire de travail. • Les interfaces d’entrées / sorties (interaction avec la partie opérative) • La communication (avec HMI, entre API, modules E/S déportés, avec variateur de

vitesse, … etc.)

Sélection et dimensionnement d’un API

Selon l’application, les ingénieurs dimensionnent l’automate nécessaire, pour cette raison, les fabricants proposent des solutions compactes et des solutions modulaires. Il faut d’abord déterminer le nombre de points entrée/sortie et :

- La tension des signaux aux entrées

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- Confirmer s’il y’a des entrées de comptage rapide - Les signaux analogiques et leurs types, tension, courant, pesage, RTD, TC, … etc. - Signaux de sorties, relais, transistors, analogique tension, analogique courant.

Il est aussi important de spécifier les types de communications à utiliser et déterminer s’il y’a lieu, une architecture du réseau.

Langage de programmation

Pour programmer l’automate, l’automaticien peut utiliser une console de programmation ayant pour avantage la portabilité. On aussi utiliser un PC avec lequel la programmation est plus conviviale, communiquant avec l’automate via une liaison, par exemple série RS232 ou RS485 ou d’un réseau de terrain. Chaque fabriquant d’automate possède son propre langage. Mais par contre, les constructeurs proposent une interface logicielle répondant à la norme CEI1 1131-3 [7]. Cette norme définit cinq langages de programmation utilisables qui sont :

• GRAFCET ou SFC : ce langage de programmation de haut niveau permet la programmation aisée de tous les procédés séquentiels.

• Schéma par blocs ou FBD : ce langage permet de programmer graphiquement à l’aide de blocs, représentant des variables, des opérateurs ou des fonctions. Il permet de manipuler tous les types de variables.

• Schéma à relais ou LADDER (LD) : ce langage graphique est essentiellement dédié à

la programmation d’équations booléennes (true/false).

• Texte structuré ou ST : ce langage est un langage textuel de haut niveau. Il permet la programmation de tout type d’algorithme plus ou moins complexe.

• Liste d’instructions ou IL : ce langage textuel de bas niveau est un langage à une

instruction par ligne. Il peut être comparé au langage assembleur.

Conception d’un automatisme séquentiel

X.5.1 Cahier des charges

Pour un procédé donné, on doit tenir compte [7]: - Des contraintes industrielles (rentabilité, sécurité). - De la nature et des types de capteurs donc des signaux délivrés par les capteurs. - De la nature des actionneurs donc des signaux de commande acceptés par les

actionneurs.

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Cette partie est la plus importante surtout pour la disposition des capteurs ! (Le capteur placé à cet endroit va-t-il délivrer une réponse pertinente ?). Elle détermine aussi :

- Le choix des interfaces d'E/S, - Le nombre et le type d'E/S, - L’utilité ou pas d'un bus de terrain.

X.5.2 Grafcet de niveau 1

L'établissement des séquences de l'automatisme est ce que l'on appelle le grafcet de niveau 1. C'est le diagramme des actions à réaliser en fonction des informations reçues.

X.5.3 Analyse opérationnelle et technologique

Cette analyse prend en compte les contraintes imposées par les capteurs et les actionneurs, ainsi que les modes de fonctionnement de l'automatisme (marche, arrêt, manuel, automatique, sécurité). C'est ce qu'on appelle le GRAFCET de niveau 2 qui représente l'automatisme complet à réaliser. A ce stade, en fonction des problèmes rencontrés, on peut être obligé de revenir au cahier des charges et/ou au GRAFCET de niveau 1.

X.5.4 Tracer le grafcet de niveau 2

Etablir tous les détails nécessaires au fonctionnement de l’automatisme. Donner à chaque étape des fonctions ou des algorithmes de calcul mathématiques, tel que les fonctions de comptages, types de temporisations, communication, … etc.

X.5.5 Analyser les modes de marches et d'arrêts

Analyser le GEMMA, et simuler le maximum possible de situations que peuvent survenir au cours d’évolution des séquences.

X.5.6 Validation

Valider le grafcet pour passer à la programmation, pratiquement nous pouvons commencer à programmer dés la phase du grafcet de niveau 1, mais ceci risque de nous faire perdre beaucoup de temps en cas de différence majeur entre le niveau 1, et le niveau 2. L’expériences des équipes ou des automaticiens à gérer des projets compte beaucoup à cette phase. La validation nécessitera des révisions et l’établissement des versions de grafcet de niveau 2 ainsi que l’analyse du GEMMA.

X.5.7 Choisir la technologie de commande

Les différents matériels de l'automatisme, la technologie de commande (si besoin).

X.5.8 Etablir les schémas

Souvent on a recours à des logicielle de conception assistée par ordinateur (CAD), notamment pour tracer des schémas électriques selon les standards et bien mettre les repaires et les renvois.

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X.5.9 Câblage et mise au point

Passer à la phase de mettre le circuit de commande en place, puis charger les programmes finis dans la, ou les API. Enfin, on peut résumer et décrire cette conception d’un automatisme séquentiel par l’organigramme suivant [7]:

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1. Bibliographie

[1] M. CAUSSADE, Cours d'automatisme. [2] B. OULDBOUAMAMA, SYSTEMES LOGIQUES et GRAFCET, École Polytechnique de

Lille. [3] Polycope d'automatisme université de tours. [4] A. Beuret, Automatisme de séquences, heig-vd, septempbre 2010 v1.4. [5] J.-Y. FABERT, Automatismes et automatique, Ellipses, septembre 2005.