GOL 510, Cours 02 aOrganisation flexible de la production (4cr.)

Session : AUTOMNE 2013

Capteurs, actionneurs et autres

composantes d’un système de commande

Programme de baccalauréat en génie des opérations et de la logistique

École de technologie supérieure, Montréal, QC.

Bibliographie

“Automation, Production Systems, and

Computer-Integrated Manufacturing”,

Mikell P. Groover

Source de cette présentation:

Plan de la présentation

Introduction

Capteurs

Actionneurs

Conversion analogique-numérique

Conversion numérique-analogique

Conclusions

Introduction

Pour la commande d’un système automatisé, un ordinateur doit collecter des données et transmettre des signaux au processus de production

Les paramètres et variables d’un processus peuvent être continus ou discrets; alors qu’un ordinateur opère exclusivement avec des données discrètes (binaires)

Nécessité d’adaptation (conversion) entre des données numériques et des données analogiques à l’interface ordinateur-processus

Introduction

Les composantes d’une telle interface

Capteurs pour la mesure de variables continues etdiscrètes

Actionneurs qui pilotent les paramètres continuset discrets du processus

Dispositifs de conversion

D’un signal analogique en données numériques

D’une donnée numérique en signaux analogiques

Périphériques d’entrée / sortie pour desdonnées discrètes

Capteurs

Généralement, un dispositif de mesure est composé d’un Capteur: détecte la variable physique visée

Transducteur: convertit la variable physique en une autre forme (signal électrique)

Un étalonnage est souvent nécessaire pour que le signal délivré corresponde à lamesure de la variable; il constitue l’un des critères de choix du capteur

Caractéristique désirée Définitions et commentaires

Grande exactitude Erreurs systématiques minimes

Grande précision La variabilité aléatoire ou le bruit dans la mesure sont minimes

Large plage de fonctionnement Exactitude et précision pour un large éventail de valeurs mesurées

Vitesse de réponse élevée Capacité du système à répondre rapidement aux changements dans la valeur

de la variable physique mesurée

Facilité d’étalonnage Étalonnage rapide et facile

Dérapage minimal La perte de précision avec le temps doit être minime

Grande fiabilité Le moins de pannes et de dysfonctionnements possibles. Bon fonctionnement

dans les conditions défavorables

Coût peu élevé Coût moins élevé que les données fournies par le capteur

Capteurs - classification -

Dispositif de mesure

Analogique Discret

Binaire Numérique

Signal continu

analogique

Ex. couple

thermoélectrique

Signal ne pouvant

avoir que certaines

valeurs discrètes

Signal du type

On/Off

Ex. commutateur

de proximité

Signal du type bits

d’état parallèles, ou

série d’impulsions

Capteurs

- dispositifs les plus utilisés en automatisation -

Dispositif de mesure Type Description

Accéléromètre Analogique Mesure de vibrations et de choc

Ampèremètre Analogique Mesure de l’intensité de courant

Tachymètre Analogique Produit une tension électrique proportionnelle à la

vitesse de rotation

Dynamomètre Analogique Mesure de force, puissance, couple de torsion

Fluidimètre Analogique Mesure du flux de liquide

Interrupteur fin de course Binaire Un bras de levier ou un bouton poussoir ouvre ou

ferme un contact électrique

Manomètre Analogique Mesure la pression d’un gaz ou d’un liquide

Codeur optique Numérique Mesure la position et / ou la vitesse

Photomètre Analogique Mesure la luminosité et l’intensité lumineuse

Piézoélectrique Analogique Produit un signal électrique proportionnel à l’effort

Détecteur de proximité Binaire Produit un signal lorsqu’un objet s’approche

Table 5.3 pages 109-110 du livre de référence

Généralités sur les capteurs, actionneurs et autres composantes de système de contrôle

Capteurs : Dans la conception d’un système automatisée, les capteurs sont les éléments sensorielles qui permettre à la mécanique du système de connaitre sont environnement et de s’y adaptés.

Il existe principalement 2 familles de capteurs : les capteurs d’état et de position. Ces capteurs peuvent transmettre des signaux discret (On/Off) ou variable (analogique ou digital).

Type de capteurs les plus couramment utilisé :

Capteur de proximité : Capteur sans contact physique avec des pièces en mouvement. Dépendant de la nature et du matériel a détecter, plusieurs type de capteur de proximité sont disponibles.

Inductif : Utilisé pour détecter la présence de pièce métallique Capacitif : Utiliser pour la détection de pièce plastique et liquide Ultrasonique : Utilisé pour détecter à de longue distance Magnétique : Utilisé pour détecter la présence d’un champ magnétique

Capteur de proximité

Inductif et capacitif, aspect extérieur similaire

Capteur ultrason

Magnétique : Souvent appelées Reed switch ou Hall effect switch. Les deux types détectent la présence d’un aimant situé dans la construction interne du piston du cylindre pneumatique.

Les capteurs optiques : Capteur sans contact qui utilise un émetteur et un récepteur de lumière pour signaler la présence d’un objet. Différente configuration de senseur sont disponible dépendant de la couleur, des capacités de réflexion de la surface ou de la matière ou de la nécessité de détecter des détails précis.

Optique retro-réflectif : Émetteur-récepteur montés dans un même bâti et utilisant un élément cible pour retourner le signal émis vers le capteur. Le réflecteur peut être uniquement une bande réfléchissante autocollante ou être un réflecteur un peu similaire à ce que l’on retrouve sur les bicyclettes.

Optique réflectif : Émetteur-récepteur montés dans un même bâti. Utilise les capacités de réflexion de la lumière par la surface de la pièce. Ce système fonctionne relativement bien avec presque toutes les pièces. Occasionnellement, ces capteurs vont être utilisés en logique inverse si les propriétés de réflexion de la pièce sont pauvres.

Optique barrage (thru-beam) : Système de capteur le plus fiable pour la détection optique, cependant comme l’émetteur et le récepteur sont placer dans deux bâtis séparés, il y a plus de pièce à installer sur l’équipement de production.

Fibre Optique : les trois types de capteur photo-électrique sont disponibles en version fibre-optique. L’utilisation de la fibre optique permet l’installation du capteur dans des endroits difficiles d’accès et ou le mouvement du capteur dans l’opération de la machine pourrait provoquer des bris ou un manque de fiabilité.

Optique laser : précision pouvant aller jusqu’à 0,4μm et une vitesse d’échantillonnage de 50 ms.

Les capteurs mécaniques : Les capteur mécanique sont principalement utilisé pour capteur de fin de course sur les composant mécanique de base. Elle seront souvent utlisé comme capteur de sécurité ultime. Levier

Plongeur

Palpeur

Actionneurs

Un actionneur est un dispositif matériel qui convertitun signal de commande en changement d’unparamètre physique; ce dernier est souvent mécanique(position, vitesse)

Un actionneur est un transducteur; en effet, il changeune quantité physique d’un type à un autre type dequantité physique (électrique → vitesse rotationnelle)

Le signal de commande étant faible, un amplificateurest souvent nécessaire avec l’actionneur

Actionneurs

Classification des actionneurs

ÉlectriquesLes plus utilisés, peuvent être linéaires ou rotationnels (ex. moteurs AC et DC)

HydrauliquesUtilisent des fluides pour amplifier le signal de commande, peuvent être linéaires

ou rotationnels, utilisés lorsqu’on a besoin d’un très grand effort

PneumatiquesUtilisent l’air comprimé pour amplifier le signal de commande, peuvent être

linéaires ou rotationnels, utilisés pour des applications demandant des efforts relativement bas (par comparaison avec les actionneurs hydrauliques)

Actionneurs - dispositifs les plus utilisés en automatisation -

Actionneur description Moteur à courant continu Moteur rotatif électromagnétique utilisant un courant continu en

entrée. Délivre un mouvement de rotation

Piston hydraulique Piston dans un cylindre exerçant une force et fournissant un

mouvement linéaire dû à la pression hydraulique

Moteur asynchrone Moteur rotatif électromagnétique utilisant un courant alternatif en

entrée. Délivre un mouvement de rotation

Moteur à induction linéaire Moteur électromagnétique linéaire. Utilise un courant alternatif

en entrée

Vérin pneumatique Piston dans un cylindre exerçant une force et fournissant un

mouvement linéaire dû à la pression de l’air

Commutateur à relais Commutateur de type (on/off). Ouvre et ferme selon la force

magnétique

Solénoïde Électro-aimant à noyau plongeur qui commande, lorsqu'il est

alimenté, le déplacement du lanceur et la mise sous tension du

démarreur

Moteur pas à pas Moteur rotatif électromagnétique. L’angle de rotation est

proportionnel aux impulsions reçues

Actionneurs

Moteur à courant continu

Piston hydraulique

Moteur asynchrone

Moteur à induction linéaire Moteur pas-à-pas

Conversion analogique-numérique

Analog-to-digital Conversion (ADC) Les signaux analogiques du processus doivent être convertis

en valeurs numériques en vue d’être utilisés par l’ordinateur

La procédure de conversion nécessite les dispositifs et les étapes suivantes: Capteur et transducteur

C’est le dispositif de mesure générant le signal analogique

Prétraitement du signal Tel que le filtrage du bruit ou la conversion en signal électrique

Multiplexeur Dispositif de commutation entre plusieurs signaux analogiques

Amplificateur Dispositif utilisé pour ajuster le signal d’entrée en vue d’être compatible avec la gamme tolérée par

le ADC

Convertisseur analogique-numérique Convertit le signal d’entrée en signal numérique

Conversion analogique-numérique

Processus 1

2 3 5

Capteur et transducteur

Prétraitement du signal

Autres signaux

Multiplexeur

4

Amplificateur

Convertisseur ADC

Signal numérique

vers l’ordinateur

Conversion analogique-numérique

La conversion analogique numérique se fait en trois (3) phases Échantillonnage

Convertit le signal continu en une série de signaux analogiques discrets à des intervalles de temps donnés

Quantification Chaque signal analogique discret est assigné à l’un des niveaux d’amplitude définis

Codage Convertit les niveaux d’amplitude discrets obtenus lors de la quantification en code numérique représentant le

niveau d’amplitude comme une séquence de chiffres binaires

Signal analogique

Temps

Variable

Signal discret

échantillonné

Échantillonnage d’un signal analogique

Conversion analogique-numérique

Les facteurs à prendre en compte lors du choix d’un

convertisseur analogique-numérique:

Fréquence d’échantillonnage Intervalle entre les relevés de valeur du signal continu

Temps de conversion Temps écoulé entre la réception du signal d’entrée et la détermination de la valeur

numérique

Résolution Précision de l’évaluation du signal d’entrée, influencée par le nombre de niveaux de

quantification

Méthode de conversion La méthode qui permet d’encoder le signal analogique en signal numérique

Conversion analogique-numérique

- Résolution -

Nombre de niveaux de quantification

Nq: nombre de niveaux de quantification

n: nombre de bits

n

qN 2

Résolution

RADC: Résolution du convertisseur ADC

Plage: intervalle de valeurs acceptées par le ADC

121

n

q

ADC

Plage

N

PlageR

Conversion analogique-numérique

- Résolution -

Erreur de quantification

la valeur réelle du signal analogique peut ne pas

correspondre à un niveau de quantification, ceci génère

une erreur maximale donnée par

ADCRErreur2

1

Conversion analogique-numérique

Méthodes de conversion (exemple)

La méthode dite d’approximation successive est la plus utilisée

Une série de valeurs de voltage est successivement comparée à lavaleur connue du signal d’entrée

Le nombre d’essais (comparaisons) est égal au nombre de bits utiliséspour le codage

La première valeur du voltage est la moitié de la plage de valeurssupportées par le convertisseur

La valeur de voltage suivante est la moitié de la valeur précédente

Les restes sont comparés à la valeur du voltagereste > valeur de voltage → bit = 1

reste < valeur de voltage → bit = 0

Les valeurs successives des bits ainsi obtenus multipliées par lesvaleurs de voltages correspondantes donnent la valeur codée du signald’entrée

Conversion analogique-numérique

- Exemple -

Données

Signal d’entrée = 6.8V

Codage en six (6) bits (registre de 6 bits)

La plage du convertisseur ADC = 10V

Codage avec la méthode d’approximations successives

Solution

Codage en six bits => six (6) essais

Plage du ADC=10 V => la valeur du voltage au premier essai est de 5

V

Les valeurs des voltages successifs sont 2.5, 1.25, 0.625, 0.312 et 0.156

V

Conversion analogique-numérique

- Exemple - Solution

Essai Valeur de

voltage (V)

Reste

Comparaison Bit

(0 ou 1)

1 5 6.8 6.8 > 5 1

2 2.5 6.8–5=1.8 1.8 < 2.5 0

3 1.25 1.8 1.8 > 1.25 1

4 0.625 1.8–1.25=0.55 0.55 < 0.625 0

5 0.312 0.55 0.55 > 0.312 1

6 0.156 0.55-0.312=0.238 0.238 > 0.238 1

La valeur numérique est donc 101011

La valeur codée est: 1*5+0*2.5+1*1.25+0*0.325+1*0.312+1*0.156=6.718

Conversion numérique-analogique

Digital-to-Analog Conversion (DAC)

Les signaux numériques de l’ordinateur doivent être

convertis en valeurs analogiques en vue d’être utilisés

l’actionneur ou tout autre dispositif analogique

La procédure de conversion se fait en deux étapes

Décodage Le signal numérique de l’ordinateur est converti en une série de de valeurs analogiques

discrètes

Maintien de données Chaque série de valeurs est convertie en un signal continu

Conversion numérique-analogique

- Décodage -

Le voltage correspondant au code dans le registre est

donné par

E0: voltage issu de l’étape de décodage

Eref: voltage de référence

B1, B2,…, Bn: bits successifs du registre (0 ou 1)

n: nombre de bits dans le registre

n

n

ref BBBBEE 2...125.025.05.0 3210 (E1)

Conversion numérique-analogique

- Maintien de données -

Approximation de l’enveloppe formée par les séries de données

Utilisation de méthodes d’extrapolation

Maintien d’ordre zéro

le voltage entre les intervalles d’échantillonnage est une série de signaux-

échelons

E(t): voltage en fonction du temps durant un intervalle

d’échantillonnage (V)

E0: voltage issu de l’étape de décodage (déterminé par E1)

0)( EtE

Conversion numérique-analogique

- Maintien de données -

Utilisation de méthodes d’extrapolation Maintien d’ordre un

le voltage entre les intervalles d’échantillonnage change avec une pente constante sur l’intervalle

E(t): voltage en fonction du temps durant un intervalle

d’échantillonnage (V)

E0: voltage issu de l’étape de décodage (déterminé par E1) au début de l’intervalle considéré

α: pente déterminée par

0( )E t E t

0 0 ( )E E

0 ( )E Valeur du voltage calculée avec (E1) au début de l’intervalle

d’échantillonnage précédent

Temps entre les instants d’échantillonnage

Conversion numérique-analogique

- Exemple -

Données

Voltage de référence = 100V

Codage en six (6) bits (registre de 6 bits)

Trois (3) instants d’échantillonnage séparés de 0.5 sec

Il s’agit de déterminer

Le voltage aux trois (3) instants d’échantillonnage

Le voltage entre les instants 2 et 3 en utilisant un maintien d’ordre 0, puis d’ordre 1

Instant Données binaires

1 101000

2 101010

3 101101

Conversion numérique-analogique

- Exemple -

Solution

Voltages aux instants d’échantillonnage

Voltages entre les instants t2 et t3

Avec un maintien d’ordre 0

Avec un maintien d’ordre 1

0 1

0 1

0 2

0 2

0 3

( ) 100 0.5(1) 0.25(0) 0.125(1) 0.0625(0) 0.03125(0) 0.015625(0)

( ) 62.50

( ) 100 0.5(1) 0.25(0) 0.125(1) 0.0625(0) 0.03125(1) 0.015625(0)

( ) 65.63

( ) 100 0.5(1) 0.25(0) 0.125

E t

E t V

E t

E t V

E t

0 3

(1) 0.0625(1) 0.03125(0) 0.015625(1)

( ) 70.31E t V

( ) 65.63E t V

65.63 62.506.25

0.5

( ) 65.63 6.25E t t

Conclusion

Lecture suggérée: Livre de référence (chapitre 6,

pages 114 à 133)