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Les automates programmables 1ELT

Lycée ALKHAOUARIZMY 1 A.TAOUNI

LES AUTOMATES PROGRAMMABLES I. Raccordement d’un automate programmable

I.1 Introduction

Les automatismes sont réalisés en vue d’apporter des solutions à des problèmes de nature technique, économique ou humaine.

Eliminer les tâches dangereuses et pénibles, en faisant exécuter par la machine les tâches humaines complexes ou indésirables.

Améliorer la productivité en asservissant la machine à des critères de production, de rendement ou de qualité.

Piloter une production variable, en facilitant le passage d’une production à une autre. Renforcer la sécurité en surveillant et contrôlant les

installations et machines.

On distingue dans tout système automatisé la machine ou l’installation et la partie commande constituée par l’appareillage

d’automatisme. Cette partie commande est assurée par des constituants répondant schématiquement à quatre fonctions de base :

L’acquisition des données

Le traitement des données

La commande de puissance

Le dialogue homme machine

I.2 Structure fonctionnelle de l’automate

L’automate programmable industriel est un appareil qui traite les informations selon un programme préétabli.

Son fonctionnement est basé sur l’emploi d’un microprocesseur et de mémoires. (voir figure 1-1)

I.2.1 Interface d’entrée

Elles permettent d’isoler électroniquement le circuit externe (saisie de l’information) du circuit de traitement.

I.2.2 L’unité centrale

Cœur de l’automate, elle est constituée:

- d’un processeur qui exécute le programme

- de mémoires qui, non seulement contiennent ce programme, mais aussi des informations de données (durée

d’une temporisation, contenu d’un compteur)



Les types de mémoires :

Mémoires vives:

RAM – Random Access Memory ( Mémoire à accès aléatoires) Ce sont des mémoires

volatiles lues et écrites par le processeur.

Mémoires mortes:

ROM – Read only memory

PROM – ROM programmable NE PEUVENT PAS ETRE EFFACES

REPROM – effacement par UV

EEPROM – effacement électrique

I.2.3 Interface de sortie

Elles permettent de commander les sorties toute ou rien (TOR) telle que : les contacteurs, les moteurs pas à pas, les

électrovannes et ainsi des sorties analogiques (boucle de régulation débit température et variateur de vitesse.)

I.2.4 Communication et dialogue

Elle est réalisée avec l’opérateur par un pupitre de dialogue ou par l’intermédiaire d’un ordinateur et avec les autres automates

pour un réseau informatique local.

I.3 Description des automates

Il existe deux types d’automate programmable industriel:

• le type monobloc

• le type modulaire

I.3.1 Automate Monobloc

Le type monobloc possède généralement un nombre d’entrées et de sorties restreint et son jeu d’instructions ne peut

être augmenté. Bien qu’il soit parfois possible d’ajouter des extensions d’entrées/sorties, le type monobloc a pour fonction de

résoudre des automatismes simples faisant appel à une logique séquentielle et utilisant des informations tout-ou-rien.



Figure1-2a : Automate monobloc TSX Nano

Figure1-2b : Automate

monobloc SIMATIC S5-95U

Exemple 1 : automate monobloc (voir figure1-

3)

1- Une prise (1) pour raccordement du terminal de programmation.

2- Un sélecteur pour codage de la fonction base /

extension.

3- Deux points de réglage analogique.

4- Une visualisation :

- Des entrées 0 à 8 ou 0 à 13 et sorties 0 à 6 ou 0 à

9,

- De l’état automate (RUN, ERR, COM, I/O).

5- Un raccordement de l’alimentation secteur Figure1-3 : automate monobloc

6- Une alimentation capteurs (=24V/150mA) sur modèles alimentés en ∼100…240V.

7- Un raccordement des capteurs d’entrées.

8- Un raccordement des préactionneurs de sorties.

9- Un raccordement extension (extension d’entrées /sorties et / ou extension automate) ou raccordement Modbus esclave

10- Un cache amovible pour protection des borniers à vis.



Exemple 2 :

I.3.2 Automate Modulaire

Par ailleurs, le type modulaire est adaptable à toutes situations. Selon le besoin, des modules d’entrées/sorties

analogiques sont disponibles en plus de modules spécialisés tels: PID, COMPTEUR RAPIDE etc. La

modularité des API permet un dépannage rapide et une plus grande flexibilité. La figure 1-4 présente un automate

modulaire.



Figure 1-4 : API modulaire

Exemple 2 : automate modulaire :

(voir figure 1-5)

L’automate TSX 37-08 comprend :

1- Un bac à 3 emplacements.

2- Un bloc de visualisation centralisé.

3- Une prise terminal repérée TER.

4- Une trappe d’accès aux bornes d’alimentation.

5- Deux modules à 16 entrées et 12 sorties « Tout ou Rien »

positionnés dans le premier et le deuxième emplacements (positions 1, 2, 3 et

4).

6- Une trappe d’accès à la pile optionnelle.

7- Un emplacement disponible.

8- Un bouton de réinitialisation

Figure1-5 : automate modulaire :

I.4 Les applications de l’automate

Les automates trouvent leur application en milieu industriel, domestiques. On cite quelques exemples courants :

Exemple n°1: Feux de carrefour

(voir figure 1-6)

Description

On règle la circulation d’un carrefour de deux voies A et B par des feux tricolores

(Rouges, orange, vert).

Figure1- 6 : Feux de carrefour



Exemple 2 : Portail oulissant. (voir figure 1-7)

Figure 1-7 : Portail coulissant.

Soit un portail coulissant à commander :

Le portail étant fermé, le contact fin de course fcFE est actionné ;

On appuie sur le bouton-poussoir d’ouverture S3, le moteur actionne le portail et provoque son ouverture ;

En fin d’ouverture, le contact fin de course fcOU est actionné, il signale l’ouverture du portail, et il coupe

l’alimentation du moteur.

L’action sur le bouton-poussoir de fermeture provoque l’inversion de sens de marche du moteur, et la fermeture du portail.

Le portail libère le contact fcOU, et se déplace jusqu’à actionner le contact fcFE qui provoque l’arrêt du moteur.

II. Mise en oeuvre d’un automate programmable industriel

II.1 Raccordement de l’alimentation des automates programmables :

1- Vers bornes d'alimentation des

extensions en courant alternatif.

2 - Vers schéma circuit de

commande.

3- Vers commande des pré-

actionneurs des extensions en

courant alternatif.

4- Raccordement des terres de

protection, à réaliser par un

conducteur vert/jaune

5- 24VCC interne réservé à

l'alimentation des capteurs

raccordés au TSX 17 et à celle d'un

seul module de sorties analogiques

TSX ASG 200.

Il est également possible de

rencontrer des automates alimentés

exclusivement en 24 V continu.

Dans ce cas un bloc d’alimentation

240 V CA / 24 V CC doit être utilisé.



II.2 Raccordement des entrées logiques de l’unité de traitement : Le principe de raccordement des entrées est conforme au schéma ci-dessous :

Dans la pratique, les entrées sont souvent groupées par 2, 4, 8, 16, 32 ou plus afin de limiter le nombre de bornes de connexion. De ce fait ces

différentes entrées, d’un point de vue de l’information, ont un point commun électrique.

L’alimentation des différents capteurs est fournie soit par l’automate soit par une source de tension externe (la tension d’alimentation est presque

toujours de 24 V continu).

Exemples industriels

Sur le premier exemple un automate de base Télémécanique TSX 172 3428 on remarque que toutes les entrées ont un commun 0V déjà relié

par le constructeur à l’intérieur de l’automate ; le câblage des entrées de type contact libre de potentiel s’en trouve simplifié. Les sorties

proposent différents groupes (de une à quatre) avec ou sans commun.



Raccordement des capteurs 3 fils

Il existe une infinité de capteurs/détecteurs sur le marché ; leur point commun est le type de raccordement électrique :

Capteurs deux fils : ils se câblent comme des interrupteurs de position mécaniques leur courant résiduel ou leur tension de déchet

peut les rendre incompatibles avec certains automates programmables industriels.

Capteurs trois fils : Attention il en existe deux types, à sortie PNP pour les automates à commun de masse (GND) et NPN pour les

automates à commun d’alimentation (+Vcapteur). Ils existent en sortie 4 fils (O + F) et programmable (PNP ou NPN).

Exemples industriels



Conclusion : Il faut donc choisir le type de détecteur (PNP ou NPN) en fonction de la logique d'entrée de l'élément commandé (de l’automate).



II.3 Raccordement des entrées analogiques de l’unité de traitement :

Il peut être intéressant pour certains automatismes de connaître l’état d’une variable analogique (température, pression,

débit, vitesse, position...). Un module, compatible avec la gamme de l’automate choisi, permet donc une conversion

analogique/numérique (entrée +10V / -10V, 0V /+10V, 0mA / 20mA ou 4mA / 20mA) de cette variable. Un mot au format 8,

10 ou 12 bits permet à l’automate de traiter cette variable par de la programmation (gestion d’alarme, contrôle,

asservissement...)

Un module d'entrées analogiques ne comporte qu'un circuit de conversion analogique numérique CAN (temps de

conversion: 80 ms par entrée), les 4 entrées sont scrutées et converties séquentiellement. Ce qui représente un temps

total de conversion de 320 ms pour les quatre voies.

II.4 Raccordement des entrées spécialisées à l’unité de traitement

Il existe selon les constructeurs différents coupleurs disponibles dans une gamme d’automates programmables industriels (compteur rapide,

gestion de codeur incrémental ou absolu, asservissement, contrôle d’axe de robot, gestionnaire d’imprimante...). Seule une étude de la

documentation spécifique permet la mise en œuvre de ces différents modules.

II.5 Raccordement des sorties logiques de l’unité de traitement

Le principe de raccordement des sorties est conforme au schéma ci-dessous :

Dans la pratique les sorties sont souvent groupées par 2,4, 8, 16, 32 ou

plus afin de limiter le nombre de borne de connexion. De ce fait ces sorties

ont un (ou plusieurs) point commun électrique. Le choix d’une interface de

sortie se fait suivant : le type de charge (DC/AC, tension, courant),

l’isolation souhaitée, la cadence de fonctionnement souhaitée et le nombre

de manœuvres souhaité. L’alimentation des différents pré-actionneurs est

toujours fournie par une source de tension externe.



II.6 Interfaces de sorties analogiques :

Les conventions digitales /analogiques ont pour fonction de générer un signal analogique normalisé (0-10 V ; 0-20 mA) à partir d’une information numérique, délivrée par l’unité de traitement et codée en binaire, sur des sorties digitales raccordées aux entrées de l’interface( ou convertisseur). (voir figure 1-15)

II.7 Techniques de connexion des E/S Lorsque les E/S sont éloignées de l’API il est souvent intéressant d’utiliser des BUS de TERRAIN permettant la transmission des informations concernant les E/S par une liaison série et non fil à fil.



II.8 Modules de communication

La liaison “série” asynchrone est très utilisée pour le dialogue entre l’automate programmable et les

périphériques (terminaux de programmation ou d’exploitation, imprimantes...). Ce mode de

communication permet l’échange de “caractères” composés d’une séquence de bits transmis les

uns derrière les autres sur la ligne. La vitesse de transmission s’exprime en bits par seconde (ou

bauds). Les interfaces suivent les spécifications données par les normes (norme RS232C de l’EIA).

modules de communication par liaisons “série” asynchrones

Le module de liaison “série” asynchrone assure la mise en forme des informations, mais c’est l’Unité Centrale de l’automate qui gère

véritablement la communication (débit, parité, format et gestion du trafic, caractère par caractère).

Le module utilise des mémoires tampons pour le stockage temporaire des informations émises ou reçues. L’émission et la réception

des signaux peuvent être simultanées (full duplex) ou alternées (half duplex).

II.9 Raccordement des sorties logiques de l’unité de traitement

modules “spécialisés”

Il est possible de construire des modules spécialisés intelligents à partir d’un microprocesseur. Un micro-programme et des interfaces

spécialisés permettent alors de disposer de modules assurant de façon autonome et performante certaines fonctions d’automatismes. Il existe

des modules de positionnement (incluant le comptage rapide d’impulsions), de gestion évoluée d’une communication (réseau local), de

régulation numérique...

• Module de contrôle de moteurs:

Moteur pas à pas (compte le nombre d’impulsions envoyées au moteur)

Moteur à courant continu (contrôle la tension d’alimentation du moteur suivant

un algorithme de commande de type PID)

• Convertisseur de fréquence et de signaux d’horloge en quadrature (lecture d’un

encodeur de position)

• Module de mesure et de compensation (jonction froide) de thermocouple

• Lecteur de codes à barres



III. Fonctionnement d’un A.P.I.

Lorsque l’API est en fonctionnement, trois phases se succèdent :

Durant cette phase qui dure quelques micro-secondes :

les entrées sont « photographiées » et leurs états logiques sont stockés dans une zone spécifique de la mémoire de

donnée.

Le programme n’est pas scruté.

Les sorties ne sont pas mises à jour.

Durant cette phase qui dure quelques milli-secondes :

Les instructions de programme sont exécutées une à une. Si l’état d’une entrée doit être lu par le programme, c’est la valeur stockée dans

la mémoire de données qui est utilisée.

Le programme Détermine l’état des sorties et stocke ces valeurs dans une zone de la mémoire de données réservée aux sorties.

Les entrées ne sont pas scrutées.

Les sorties ne sont pas mises à jour.

PHASE 1 PHOTOGRAPHIE DES ENTREES

PHASE 2 EXECUTION DU PROGRAMME



Notez que pendant cette phase, seules la mémoire de données et la mémoire programme sont mises à contribution. Si une entrée change d’état sur le module d’entrées, l’API ne « voit » pas ce changement.

Durant cette phase qui dure quelques micro-secondes :

Les états des sorties mémorisés précédemment dans la mémoire de données sont reportés sur le module de sorties

Les entrées ne sont pas scrutées.

Le programme n’est pas exécuté.

PHASE 3 MISE A JOUR DES SORTIES



L’enchaînement des trois phases se répète sans cesse de façon

cyclique lorsque l’API est en fonctionnement :

1. Lecture des entrées (%I)

2. Traitement du programme (T)

3. Ecriture des sorties (%Q)

Avant chaque cycle l’API effectue des traitements internes afin de

vérifier ses circuits et les sollicitations extérieures.

Le temps de cycle de l’ordre de quelques

milli-secondes est surveillé par un circuit électronique appelé «

Chien de garde ».

Si pour une raison quelconque le temps de cycle mesuré par le

chien de garde est supérieur au temps de cycle maxi configuré,

l’API signale le défaut arrête le traitement.

VI. Programmation des automates :

VI.1 Langages de programmation :

a. 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.

b. 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.



c. Liste d'instructions (IL : Instruction list) : Langage textuel de même nature que l'assembleur (programmation des microcontrôleurs).

Très peu utilisé par les automaticiens.

d. 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.

VI.b Programmation à 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.



V. L’utilisation d’un logiciel de programmation :

V.1 Les logiciels de programmation

Marque Automate Logiciel

Télémécanique TSX Nano Pl707

TSX 3708, TSx22 Pl7- micro

TSX Premium Pl7 junior

ALENBRADLEY SLC 500 APSF

Rslogix

SIEMENS Série 5:S5

Série 7:S7

Step 5

Step 7

Ce tableau récapitulatif donne le logiciel et le type d’automate conforme à ce dernier. L’opérateur peut communiquer avec l’automate soit à travers un P.C portable, fixe ou avec la console. On lie l’automate au PC (ou à la console) par un câble (RS232).

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