Chapitre 1 Les Automates Programmables Industriels

Chapitre 1 [Les automates programmables industriels]

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CHAPITRE 1: LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

Dans le domaine de l'automatisation de processus industriels, lvolution des

techniques de contrle/commande sest traduite par :

un dveloppement massif,

une approche de plus en plus globale des problmes,

une intgration ds la conception de linstallation.

On est ainsi pass du stade de la machine automatise celui du systme automatis

de production

I- Structure des systmes automatiss de production (SAP) :

Tout systme automatis comporte :

Figure 1 : Structure dun systme automatis

IHM

Partie commande

Capteurs Pr-actionneurs

Partie oprative


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Une partie oprative (P.O) procdant au traitement des matires duvre afin

d'laborer la valeur ajoute ; cest la partie mcanique du systme qui

effectue les oprations. Elle est constitue dactionneurs tels que vrins,

moteurs utilisant de lnergie lectrique, pneumatique, hydraulique...

Une partie interface (P.I) : est la partie se trouvant entre les deux faces PO et PC

Traduisant les ordres et les informations.

Une partie commande (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la Partie

Oprative avec la finalit d'obtenir cette valeur ajoute.

La structure simplifie dun ensemble automatis peut se dcomposer en trois parties

essentielles :

les entres Tout Ou Rien (TOR), parfois analogiques, destines fournir des

informations sur ltat du processus : fin de course, dtecteur de niveau, pressostat,

thermostat, ect,

lautomate qui traite les diffrentes informations dentre afin dlaborer les ordres,

les sorties transmettant les ordres labors par lautomate, aux diffrents

actionneurs ou pr- actionneurs : voyants, distributeurs de vrins, contacteurs de

moteur,

Oprateur

AUTOMATE

PROCESSUS

ENTREES SORTIES

Capteurs Actionneurs

Figure 2 : principe de lecture et commande de lAPI


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Selon sa complexit, la ralisation de la partie commande (PC) fait appel diverses

technologies dont les plus couramment utilises sont :

les relais lectromcaniques

les relais statiques lectroniques

les relais pneumatiques

lautomate programmable

les cartes lectroniques base dun microcontrleur

A partir dune certaine, complexit, les relais lectromcaniques et les relais statiques

deviennent lourds mettre en uvre et le cout de lautomatisation est difficile estimer.

Lautomate programmable vite de faire appel lordinateur qui, lui a souvent des

performances trop leves pour le problme rsoudre et demande un personnel

spcialis.

Particulirement bien adapts aux problmes de commande squentielle et dacquisition

des donnes, les API autorisent la ralisation aise dautomatismes comprenant de

quelques dizaines jusqu plusieurs milliers dentres/sorties.

II- Architecture matrielle des API

II-1 Description gnrale :

Un automate programmable industriel se prsente sous la forme dun ou plusieurs profils

supports (racks) dans lesquels viennent senficher les diffrents modules fonctionnels :

lalimentation 110/220 VCA ou 24 VCC

Lunit centrale de trainement base de microprocesseur,

Des cartes dentres/sorties logiques (TOR),

Des cartes dentres/sorties analogiques (ANA),

Des cartes de comptage rapide,

Des cartes de communication (CP),

Des cartes spcifiques pour : rseaux, asservissement, rgulation commande daxe.

LOGIQUE CABLEE

LOGIQUE PRGRAMMEE


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Chaque module dentre/sortie comporte un bornier de raccordement et un ensemble

des LEDs visualisation de ltat logique de chaque voie.

Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration adapte aux

besoins de lutilisateur ainsi quun diagnostic et une maintenance facilits.

II-2 cartes dentres TOR :

Chaque carte comporte gnralement 8, 16, 32 entres logiques et peut

correspondre au schma fonctionnel ci-dessous:

LAPI reoit les informations du processus partir des capteurs lies aux entres de

lAPI. Le rle de ces capteurs est de fournir des informations, par exemple, des

capteurs qui reconnaissent si une pice d'usinage se trouve une position donne

ou de simples commutateurs ou boutons poussoirs, qui peuvent tre ouverts ou

ferms, appuys ou relchs.

Alimentation CPU DI DO AI AO CP

24V DC

230V AC

Figure 3 : principe de lecture et commande de lAPI


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On distingue galement entre les contacts ouverture qui sont ferms au repos et les

contacts fermeture qui sont ouverts au repos.

Les capteurs TOR sont connects ensemble par le pole plusse 24 v fournie par lautomate

et les sorties sont connects aux entres I0.0, I0.1, I0.2,.

0000

E1 I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

CPU

Carte

dentre

DI

24V 0V (COM)

Capteurs TOR

0V

0V

0V

0V

Figure 4a : Principe de connexion des entres tat au repos

E1 I0.0

I0.1

I0.2

I0 .3

CPU

Carte

dentre

DI

24V 0V (COM)

Capteurs TOR

24V

0V

24V

0V

0101

Figure 4b : Principe de connexion des entres tat actionnes


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II-3 cartes de sorties TOR :

Chaque carte comporte gnralement 8, 16, 32 sorties logiques et peut correspondre au

schma fonctionnel suivant :

LAPI commande le processus en connectant des actionneurs via les points de

connexion de lAPI appels sorties une tension de commande de 24 V p.ex.. Ceci

CPU

Carte de

sortie

DO

24V

0000

0V

MAS MAS

L1 L2 L3

U V W

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Figure 5a : Principe de connexion des sorties tat au repos

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

CPU

Carte de

sortie

24V

24V

0V

0V

0V

0V

MAS MAS

L1 L2 L3

U V W

0001

Figure 5b : Principe de commande des sorties tat actionne


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permet de dmarrer ou darrter un moteur, de faire monter ou descendre des vannes ou

dallumer et teindre des lampes.

Les pr-actionneurs se connectent la borne ngative 24V de lautomate et suivant le

programme trait lautomate est quip par des relais distribue le 24V vers les pr-

actionneurs.

Dans ce cas le moteur ne fonctionne que si le programme autorise la fermeture du relais

Q0.0.

II-4 Cartes dentres/sorties analogiques :

A la diffrence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux tats

"Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont

capables (dans une certaine plage donne) de prendre n'importe quelle valeur comprise

entre 0V et 10V ou de 0 20mA.

Exemples de grandeurs analogiques:

Temprature -50 ... +150C

Algorithme

de calcul

C A N

C N A

Consigne

ENTREE

ANALOGIQUE

AI

SORTIE

ANALOGIQUE

AO

Capteur analogique

Vane

commande

analogique

Figure 6 : Principe de commande des sorties tat actionne


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Dbit 0 ... 200 l/min

Vitesse 0 ... 1500 tr/min

etc.

En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont converties en tensions

lectriques, en courants ou en rsistances. Pour une vitesse mesure de 865 tr/min, le

transducteur de mesure afficherait une tension de 3,65 V. Ces tensions lectriques,

courants et rsistances sont ensuite connects un module analogique qui numrise le

signal.

La chaine dacquisition et de traitement rpond priodiquement la procdure

suivante (toutes les 100ms par exemple) :

1. Acquisition de la mesure via la carte dentre analogique. Pour cela le CAN

(convertisseur analogique numrique figure 8) fournit une valeur numrique code

sur 12 16 Bits.

2. Le programme de traitement (algorithme de calcul) dtermine sous forme

numrique la valeur fournir en sortie, en tenant compte des diffrents

paramtres :

La valeur de la mesure

La valeur de la consigne

Le type dalgorithme (PID,.)

3. Emission par la carte de sortie analogique de commande pour cela le CNA

(convertisseur numrique analogique figure 7) convertit la valeur numrique de

sortie sous forme analogique (tension, courant .).

II-5 Cartes dentres/sorties complexes :

Toutes ces cartes dites > disposent en plus des interfaces dentre et de

sortie, dun vritable micro-ordinateur assurant un traitement local plus ou moins

sophistiqu.

Ceci permet, dune part dviter un dveloppement souvent fastidieux de

lapplication, dautre part de rduire parfois considrablement la place mmoire et le

temps dexcution au niveau de lUC de lautomate programmable.


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II-5-1 Carte daxes pour moteur courant continu ou alternatif

La carte daxe envoie sur sa sortie analogique 10V une tension proportionnelle

lacclration et la vitesse souhaite. Une dynamo-tachymtrique fournit une tension de

retour , image de la vitesse relle du moteur , afin que la carte puisse corriger tout cart

ventuel.

Un codeur de position incrmental ou absolu, permet la carte de connaitre la position

de laxe, et donc de grer la vitesse en consquence.

Figure 7 : Principe de la commande dun axe

Variateur

Sortie ANA 8.35 V

Dplacement 450 mm Vitesse 50 Hz Sens arrire Commande Ok ROM

BUS LOCAL

p

Logique de contrle

Dcodeur dadresses

BUS de donnes

BUS dadresses

BUS de contrle

Entre NUM 315

Entre ANA 5.67 V

Vitesse Position

Moteur Dynamo Codeur

Dplacement


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II-5-2 Carte daxes pour moteurs pas pas

La carte daxe envoie sur sa sortie TOR une srie dimpulsion avec une frquence

proportionnelle lacclration et la vitesse souhaite. La quantit totale dimpulsions

envoyes correspond quand celle au nombre de pas que doit parcourir le moteur.

Figure 8 : Principe de commande dun moteur pas pas avec API

AMPLIFICATEUR

DE PUISSANCE

Compte rendue

Nombre de pas 500 Vitesse 50 Hz Sens arrire Commande Ok ROM

BUS LOCAL

p

Logique de contrle

Dcodeur dadresses

BUS de donnes

BUS dadresses

BUS de contrle

Frquence 4 KHZ

Sens

Dplacement

Moteur PAS PAS

Horloge 0 ou 1 1000 1101


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II-5-3 Carte de rgulation PID

Cette carte comporte souvent plusieurs entres analogiques permettant de recevoir

le signal de mesure issu des transmetteurs 4-20mA, ainsi que plusieurs sorties analogiques

permettant de piloter les vannes de rgulation.

Le microprocesseur local traite le programme labor partir des diffrents algorithmes de

rgulation implants sur la carte mme (PID, Sommation, Racine carre,..).

III- Critres de choix dun API :

LAPI se caractrise par :

Une programmation qui offre un langage destine lautomaticien (et non celui

de linformaticien.

Des possibilits de simulation et de visualisation qui apportent lutilisateur une

aide efficace la mise au point et lexploitation (modification aise de

lautomatisme).

Figure 9 : Principe de rgulation par API

PID

Manu

Capteur de dbit 41%

Vanne 39%

+ A

I - A

I

CAN

Consigne 40%

CNA

Sortie 39%

Auto

Gain 1.2

Ti 0.5

Td 0.7


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Une puissance de traitement et un ensemble de cartes spcialises permettant un

dveloppent ais dapplications particulires : communication, asservissement

daxes, rgulation.

Des possibilits dextension en termes dentres sorties.

Pour crer un projet base dun API, des outils ncessaires comme :

Un API de caractristique compatible au systme commander : nombres

dentre sorties ; type dentres

Un logiciel de programmation adapt lAPI.

Un cble de liaison entre PC/API

Figure 10 : outils pour dmarche dun projet

analogique

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