Cours Autom LPAII

IUT de Toulon – Département GEII

Automatismes Industriels LPAII 2012 - 2013

Automatismes Industriels

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2IUT Toulon 2011/2012

Automatismes Industriels LPAII 2012 - 2013

Plan du Cours :

I / Les Automates Programmables Industriels1 – Présentation2 – Structure et fonctionnement3 - Caractéristiques

II / Wago 750 / CoDeSys1 – L'adressage des données2 – Le langage IL3 – Le langage ST4 – Le Langage SFC5 – Le langage LD6 – Le langage FBD7 – Le langage CFC (non IEC 1131-3)

III / Schneider M-340 / Unity1 – Présentation matérielle2 – Adressage des données3 – Programmation

IV / Siemens S7 / Step71 – Présentation matérielle2 – Adressage des données3 – Programmation

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Automatismes Industriels Cours LPAII 2012 - 2013

I / Les Automates Programmables Industriels

1 - IntroductionLes automates programmables industriels sont apparus à la fin des années soixante, à la demande de l'industrie automobile américaine, qui réclamait plus d' adaptabilité de leurs systèmes de commande.Les coûts de l'électronique permettant alors de remplacer avantageusement les technologies alors utilisées.

Avant : utilisation de relais électromagnétiques et de systèmes pneumatiques pour la réalisation des parties commandes

⇒ logique câblée

Inconvénients : cher, pas de flexibilité, pas de communication possible

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Contraintes du milieu industriel (1) :

✔ Influences externes :

- poussières,- température,- humidité,- vibrations,- parasites électromagnétiques, …

→ Solution : utilisation de systèmes à base de microprocesseurs permettant une modification aisée des automatismes.

⇒ logique programmée

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Contraintes du milieu industriel (2) :

✔ Personnel : - dépannage possible par des techniciens de formation électromécanique

- possibilité de modifier le système en cours de fonctionnement

✔ Matériel :

- Evolutif- Modulaire- Implantation aisée

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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.

Définition :

Les API sont utilisés dans divers secteurs d'activités, que l'on peut regrouper en trois catégories :

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- Les systèmes automatisés de production (SAP), dont l'objectif est d'apporter de la valeur ajoutée à une matière première, en respectant certaines contraintes (financières, normes de sécurité etc...).

- L'industrie automobile, la métallurgie,

- La production d'énergie (centrales nucléaires, thermiques,

hydrauliques...)

- L'industrie agro-alimentaire, pharmaceutique,

- Le génie-chimique, la pétrochimie,

- Les chaînes de conditionnement,

- etc ...

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- L'automatisation des bâtiments (GTB : Gestion Technique des Bâtiments), dont les objectifs sont :

- L'amélioration du confort (gestion des ascenseurs, régulation de

températures...),

- La sécurité (alarmes anti-intrusion, détection de fumées...)

- La réduction des dépenses énergétiques (gestion automatisée des

consignes de température et d'éclairage...)

- Engins de chantiers (grues...),

- Tri postal,

- etc...

- L'automatisation de machines spéciales :

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Nature des informations traitées par l'automate :

➢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 …).

Une grandeur analogique (tension, courant...) doit être convertie en grandeur numérique par une carte d'entrée spécifique pour pouvoir être traitée par le programme automate.

➢Numérique : l'information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou bien hexadécimale. Il peut s'agir d'une variable interne du programme (compteur...).

➢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 …

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Architectures compacte et modulaires : :

Automates modulaires Télémécanique

Automate compact Logo (Siemens)

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Informations(capteurs, dialogue)

Entrées

SortiesOrdres

(pré actionneurs, dialogue)

Programme

Traiter les informations entrantes pour émettre des ordres de

sorties en fonction d’un programme.

2 - Structure & Fonctionnement d’un API

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Le cycle de fonctionnement est organisé en 4 tâches :

Bus Entrées / Sorties

Unité de Traitement

RAM

Module d'

Entrées

Module de

Sorties

Tâche 1 : Gestion du système (auto-contrôle de l’automate)Tâche 2 : Acquisition des données en entrée (mémorisation)Tâche 3 : Traitement des données (exécution du programme)Tâche 4 : Affectation des sorties (émission des ordres)

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Déroulement d'un Cycle-automate :

Traitement Interne

Lecture des Entrées

Exécution du Programme

Ecriture des Sorties

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Quelques fabriquants :

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Interface d'entrée : elle permet de recevoir les informations de la P.O (ou du pupitre) et de mettre en forme (filtrage, ...) ce signal tout en l'isolant électriquement (optocouplage) :

Bus d'E/S

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➔ Coupleur d'entrées : « du bornier vers la mémoire image »

Mise à jour de façon ponctuelle, à chaque cycle automate

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➢ Exemple de Carte D'E TOR (750-400) :

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Interface de sortie : elle permet de commander les préactionneurs et éléments de signalisation du S.A.P. tout en assurant l'isolement électrique entre P.C et P.O.

Bus d'E/S

Mise à jour de façon ponctuelle, à chaque cycle

automate

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➢ Exemple de Carte De S TOR à Relais (750-513) :

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➢ Caractéristiques :

La tension commutée par une sortie à Relai peut être

une source continue ou alternative

La fréquence de commutation admise est

relativement faible ( < 1 Hz)

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➢ Exemple de Carte De S TOR à Transistors (750-501) :

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➢ Cractéristiques :

La tension commutée par une sortie à

transistor es nécessairement

continue

La fréquence de commutation peut être élevée (plrs kHz)

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La Norme IEC 61131-3 définit les règles d 'écriture des programmes pour les API.

Les fabricants d'API fournissent des logiciels de programmation plus ou moins fidèles à cette norme (de plus en plus tout de même).

Le logiciel CoDeSys est une plateforme de développement ouverte, multi-cible, utilisée pour programmer les contrôleurs WAGO utilisés en TP.

Il obéit aux spécification de la norme CEI 61131-3

II / Programmation des API Wago 750 sous CoDeSys

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➢ Présentation du contrôleur WAGO 750-849 :

Ports Ethernet pour le chargement des programmes, la

supervision...

Interface série (configuration)

Bornes pour l'alimentation 24Vcc

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➢ Caractéristiques du contrôleur WAGO 750-849 :

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Toute donnée traitée par un programme automate possède :

- Une Direction (Entrée, Sortie, Interne)

- Un format (Bit, Octet, Mot ...)

- Une Adresse (Chiffre indiquant la position de la donnée dans le plan mémoire de l'API).

La syntaxe pour toute donnée est la suivante :

% 'Direction' . 'Format' . 'Adresse'

1 / L'adressage des Données.

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La direction : Une entrée est une valeur, provenant du process, qui ne peut être que lue par le programme chargé dans le contrôleur.

Notation : %I.x.xExemple : capteur, détecteur, bouton poussoir etc...

Une sortie est une donnée à destination du process, dont la valeur peut être fixée par l'automate. (Remarque : Une sortie peut aussi être lue par le programme)

Notation : %Q.x.xExemple : voyant lumineux, commande d'un contacteur etc...

Une variable interne est une donnée qui n'est pas liée à une interface d'E/S, mais une

information gérée par le programme chargé dans l'API.Exemples : valeur d'un compteur, d'une temporisation, étape d'un grafcet …

Notation : %M.x.x

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Le format : ✔ Un bit est une valeur binaire ou encore booléenne dont la valeur est « VRAIE » (notée TRUE) ou « FAUSSE » (notée FALSE).

Notation : %x.X.x.x

Exemple : Un voyant lumineux est relié à la 4eme borne de la 1°carte de sorties T.O.R du rack automate. Son état correspondra à la variable booléenne :

% Q X 0.3

✔ Un octet est une donnée codée sur 8 bits

Notation : %x.B.x

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✔ Un mot est une donnée codée sur 16 bit

Notation : %x.W.x

Exemple : Un capteur de température est relié à la 3eme entrée analogique du rack automate. La valeur numérique correspondante sera stockée dans la variable :

✔ Un double mot est une variable codée sur 32 bits

Notation : %x.DW.x

% I W 2

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Les valeurs numériques peuvent être représentées sous formes décimales, hexadécimales (en ajoutant 16# devant la valeur) ou binaires (2#...)

exemples : 125 → 125 1A216

→ 16#1A2 01102 → 2#0110

En plus du format, on peut définir un type pour les variables internes (liste non exhaustive) :

INT : valeur entière signée sur 16 bits

UINT : valeur entière non signée sur 16 bits

DINT : valeur entière signée sur 32 bits

DUINT : valeur entière non signée sur 32 bits

REAL : valeur réelle sur 32 bits

TIME : durée définie en h/mn/s/ms Notation : t # ...h ...m ...s ...msDATE : date définie en année/mois/jour Notation : d # ...-...-...TIME_OF_DAY : heure du jour définie en h/mn/s Notation : tod # ... : ... : ...DATE_AND_TIME : date & heure Notation : dt # ...-...-... - ... : ... : ...STRING : chaîne de caractères. Notation : ' Ma Chaine '

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Les adresses :

Le dernier champ d'adressage d'une donnée est son adresse.

Elle est constituée: - de 2 chiffres séparés par un point pour les bits, le 1° indique le n° du mot, le

second la position du bit dans ce mot (0 à 15).- d'un seul chiffre pour tous les autres types.

Exemple (bit d'entrée) : %IX0.2 Il s'agit de la 3° entrée (les adresses commencent à 0) de la 1ere carte d'E T.O.R.

Exemple (Mot interne) : %MW42

Il s'agit du mot interne d'adresse 42.

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Déclaration de variables :

Un programme doit réaliser des calculs et utilise donc des variables. Ces variables doivent être déclarées en en-tête de celui-ci.

Une variable peut être :

- une variable d'entrée s'il s'agit d'une variable que le programme utilise (valeur calculée par un autre sous-programme, état d'un capteur...);

- une variable de sortie s'il s'agit d'une variable que le programme modifie (affectation d'une sortie, résultat d'un calcul...)

- D'une variable interne, si cette variable est uniquement utlisée pour faire un calcul intermédiaire.

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Variable d'entrée, de type 'mot', et initialisée à la valeur 0.

Variable interne, de type 'temps', et initialisée à la valeur 1mn et 15s.

Variable de sortie, de type booléen, d'adresse 0.0 (1ere entrée T.O.R du contrôleur) et initialisée à la valeur '0'.

Exemples de déclaration :

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2 / Langage IL (Instruction List).Il s'agit d'un langage textuel proche du langage machine de l'API. Il s'apparente à l'assembleur d'un microcontrôleur. Ce langage n'est plus trop utilisé à l'heure actuelle.

Exemple : Soit l'équation logique suivante →

... se traduit par le code suivant :

%I1.3 . %I1.4)1.5)((%I1.0.%I %Q2.0 +=

La norme IEC 1131-3 définit 5 langages de programmation : IL, ST, SFC, LD et FDB.

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3 / Langage ST (Structured Text).

Il s'agit d'un langage textuel proche des langages évolués tels que le C. Il s'avère indispensable dès lors que l'on a besoin de faire des traitements numériques par exemple.


... se traduit par le code suivant :

%I1.3 . %I1.4)1.5)((%I1.0.%I %Q2.0 +=

%Q2.0 := ( (%I1.0 AND %I1.5) OR %I1.4 ) AND NOT( %I1.3) ;

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➢ Comparaison (alternative IF … ELSE … … END_IF):

➢ Incrémentation d'une variable :

CPT := CPT + 1 ;

Affectation : « := »

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➢ Boucle FOR :

➢ Boucle WHILE :

FOR i := 0 TO 9 BY 1 DO

.............. ;

END_FOR;

WHILE condition = TRUE DO

.............. ;

END_WHILE;

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➢ Opérations Numériques :

Le choix du langage ST s'impose dès lors que l'on doit faire des traitements numériques sur des variables. Les opérations de bases sont :

- Addition :

- Soustraction :

- Multiplication :

- Division :

Res := Op1 + Op2 ;

Res := Op1 - Op2 ;

Res := Op1 * Op2 ;

Res := Op1 / Op2 ;

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- modulo :

- Conversion Entier → Réel :

- Conversion Réel → Entier :

- Conversion Mot → Réel :

Res := Op1 MOD Op2 ;

Nb_Re := INT_TO_REAL ( Nb_ent) ;

Nb_ent := REAL_TO_INT ( Nb_Re) ;

Nb_Re := WORD_TO_REAL ( Mot) ;

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4 / Langage SFC (Sequential Functional Chart ).Il s'agit du langage Grafcet. On l'utilisera pour décrire les différentes tâches séquentielles de l'automatisme.

Il est constitué d'étapes auxquelles sont associées des actions. Les étapes sont séparées par des réceptivités. Lorsqu'une étape est active les actions associées à l'étape sont activées.

Lorsque la réceptivité qui suit l'étape active devient vraie, l'étape en cours se désactive, et l'étape suivante devient l'étape active.

Réceptivité

étape

Action

Étape initiale

Important : Il faut toujours respecter l'alternance Étape/transition !!!

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Les attributs suivants peuvent être associés aux actions en SFC :Attribut Paramètre Description

N Aucun Action Non mémorisée : L'action est activée lorsque l'étape associée est active, et se désactive automatiquement à la sortie de l'étape.

S, R Aucun Action Mémorisée : l'attribut « S » (Set) permet de mémoriser l'activation de l'action, celle-ci restera active jusqu'à ce que l'attribut « R » (Reset) soit rencontré dans le grafcet sur la même action.

L Durée d'activation :

t#.....

Action limitée dans le temps : L'action est activée à l'entrée dans l'étape, puis désactivée automatiquement au bout du temps, spécifié (ou à la sortie de l'étape).

D Temps de retard :

t#.....

Action Retardée : L'action est activée avec le retard spécifié après l'entrée dans l'étape.

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Les réceptivité sont des valeurs booléennes, qui peuvent apparaître directement sur le grafcet (langage ST). Elles peuvent prendre la forme :

- De valeurs booléennes constantes (TRUE ou FALSE)

- De variables booléennes simples

- De combinaisons logiques ( exemple : (a OR b) AND NOT c )

- De comparaison entre des valeurs numériques (exemples : A > 100, A<>B,

A=5)

- De combinaisons des éléments précédents

Note 1 : il est impossible de réaliser une affectation (:=) dans une réceptivité.

Note 2 : il sera également possible d'utiliser les langages LD et FBD pour coder les réceptivités ; dans ce cas chaque réceptivité sera programmée dans une section spécifique.

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✔Structure OU : Alternative. Elle permet d'effectuer un choix entre deux séquences. Notez bien la structure de la divergence et de la convergence.

Divergence

Convergence

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✔Structure ET : Parallélisation. Elle permet d'effectuer un choix entre deux séquences. Notez bien la structure de la divergence et de la convergence.

Divergence

Convergence

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5 / Langage LD (LaDder ).

Il s'agit d'un langage graphique que l'on pourra par exemple utiliser pour coder les équations logiques des réceptivités d'un grafcet.

Le principe est le suivant :

- Les variables d'entrée sont symbolisés par des contacts électriques(NO ou NF), les variables de sortie par des bobines.

On considère que l'extrémité gauche du réseau constitue la borne + d'une alimentation (imaginaire) et la partie droite sa borne -

La mise en série, en // de contacts (variables d'E) NO ou NF permet l'alimentation conditionnelle de la bobine (variable de S), donc L'implantation d'équation logique.

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➢ Opérations logiques de Base :

ET : OU : NON :


Cette équation se traduit en LD par la ligne suivante :%I1.3 . %I1.4)1.5)((%I1.0.%I %Q2.0 +=

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➢ Mémoire RS :

➢ Front montant :

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➢ Compteur décompteur :

➢ Temporisation (retard à l'activation) :

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6 / Langage FBD (Functionnal Bloc Diagram ).

Il s'agit également d'un langage graphique fonctionnant sur le même principe que LD mais avec les symboles s'apparentant à ceux que l'on utilise pour les logigrammes.


Cette équation se traduit en FBD par le diagramme suivant :

%I1.3 . %I1.4)1.5)((%I1.0.%I %Q2.0 +=Exemple :

AND

ORAND

%I1.4%I1.3

%Q2.0

%I1.5

%I1.0

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7 / Langage CFC (Component Functional Chart).

Ce langage n'est pas définit par la norme CEI, mais sera utilisé dans l'environnement de programmation CODeSys. Il reprend les éléments utilisés en FBD, mais les symboles peuvent être placés librement sur le schéma (et non pas ligne par ligne comme en FBD).

De plus, la plupart des opérateurs définis en ST sont égalements utilisables (opérations numériques etc...).

On ne peut pas l'utiliser pour coder les réceptivités.

En revanche, on l'utilisera comme langage de programmation principal qui appellera les différentes tâches.

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Mémoire RS

Opérations numériques

opérations logiques

Compteurs

Comparaisons

Détection de Fronts

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➢ Appel & Synchronisation de programmes en CFC :

➔Programme Principal PLC_PRG :

➔ Bloc Fonctionnel G2 :

➔ Bloc Fonctionnel G1 :

Étapes de synchronisation

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➔ Bloc Fonctionnel G1 : Déclaration des variables d' E/S

➔ Bloc Fonctionnel G2 : Déclaration des variables d' E/S

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➢ Echange de données entre blocs fonctionnels :

Les variables d'étapes peuvent être échangées entre plusieurs blocs fonctionnels* programmés en langage SFC. Pour utiliser la variable d'étape d'un bloc SFC, la syntaxe suivante est utilisée :

'PLC_PRG' . 'nom d'appel du bloc' . 'nom de

l'étape' . X

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III / Programmation des API Schneider M340 sous Unity

➢ Présentation du contrôleur M-340 : La série M-340 représente le segment milieu de gamme des API Schneider, de dernière génération.

Ces API sont adaptés aux systèmes automatisés de moyenne taille, et aux grosses installations à système de contrôle / commande possédant une architecture décentralisée.

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Au matériel, l'architecture est modulaire, Schneider propose différentes cartes d'E/S adaptées aux besoins industriels (Sorties relayées ou non, cartes analogiques configurables en 0-10V / 4-20 mA etc...).

Du point de vue communication, Sschneider préconise :- Le bus ASI pour le niveau terrain- CanOpen pour le niveau Cellule / Machine- Modbus-TCP pour la supervision

On pourra donc évidemment mettre en œuvre ces protocoles en choisissant les CPU et coupleurs adaptées.

Le modèle de CPU utilisé en TP : P34 2020 offre :- 1 port Modbus RTU (RS485) pouvant être configuré en maître ou esclave- 1 port Ethernet, pour les communications Modbus TCP, l'accès au serveur Web intégré, le chargement des programmes.

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➢ Adressage des données :

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➢ Organisation du projet sous Unity :

Interfaces de communication

Cartes d'E/S

Déclaration des variables

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Le programme est organisé en différentes « Sections », réparties en 2 catégories :- Les tâches. Elles sont au nombre de 2 pour les M-340.

1 / La tâche MAST (Master) : Il s'agit de la tâche maître, elle correspond au programme principal. Elle peut être appelée soit de façon cyclique (cas courant), soit périodique c'est à dire que sa durée d'éxécution doit être maîtrisée.La tâche MAST peut comporter plusieurs sous programmes, dans différents langage ; en revanche elle est la seule à pouvoir contenir du grafcet.

2 / La tâche FAST : Il s'agit d'une tâche dite rapide, qui va être appelée périodiquement, selon une durée à définir. L'appel de cette tâche correspond à une interruption (au sens µC) de la tâche maître.

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➢ Langages de Programmation : On retrouve les 5 langages CEI danss Unity : IL, ST, FBS, LD et SFC.

De nombreuses bibliothèques viennent faciliter la programmation, notamment pour les calculs et fonctions d'automatisation courantes.

Enfin, un module optionnel d'Unity permet de créer des fonctions en langage C.

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IV / Programmation des API Siemens S7300 sous Step7

➢ Présentation du contrôleur S7315-F 2PN/DP:

Il s'agit d'une CPU placée dans le segment haut de gamme des API Siemens. Elle présente la particularité d'intégrer des fonctions de sécurité, ce qui dispense de l'utilisation d'un automate de sécurité supplémentaire, pour les process obéissant à ce type de normes.

Du point de vue communication, Siemens préconise :- ASI pour les capteurs/actionneurs- ProfiBUS et ProfiNet pour les autres niveaux

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➢ Adressage des données :

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➢ Organisation du projet sous Step7 :

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Le programme est organisé « Blocs » :

1 / OB.. (Organisation Blocs) : Ce sont des programmes appelés « implicitement », de façon, cyclique, périodique ou encore sur événementsOB1 correspond au programme principal, ou encore à la tâche maître.Ce bloque est appelé à chaque cycle automate, et sera chargé de l'appel des éventuels sous-programmes. Il ne peut pas contenir de grafcet.

2 / FB.. Function Blocs) : Il s'agit de fonctions appelées par un autre bloc, auxquelles peuvent être associées des données (DB..).

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➢ Langages de Programmation : On retrouve certains langages CEI sous Step7, cependant les noms utilisés diffèrent de la norme :

FBD → LOGSFC → GRAPHLD → CONT

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