Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d

i

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

Filière : GENIE INDUSTRIEL

Département : Génie Mécanique et Productique

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du

diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel

ETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIELILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/OFACTORY I/OFACTORY I/OFACTORY I/O

Présenté par : RAZAFILEMATANA Robertin

Soutenu le : 13 Décembre 2014 Promotion 2003

ii

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

Filière : GENIE INDUSTRIEL

Département : Génie Mécanique et Productique

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du

diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel

AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL

ETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL

FACTORY I/O

Membres du jury

Président MonsieurRANDRIAMORASATA Josoa

Examinateurs Monsieur ANDRIAMANALINA William

Monsieur RAKOTONDRAINIBE Faniry

Monsieur RAMELINA Lala Arimonjy

Directeur de mémoire Monsieur ANDRIAMANOHISOA Hery Zo

Présenté par : RAZAFILEMATANA Robertin

Soutenu le : 13 Décembre 2014 Promotion 2003

iii

REMERCIEMENTS

A l’issue de ce mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en

Génie Industriel, je ne peux me taire sans, premièrement, remercier DIEU car par sa grâce,

j’ai pu réaliser avec la collaboration de nombreuses personnes de bonne volonté.

Deuxièmement, je tiens à remercier le Professeur ANDRIANARY Philippe, Directeur de

l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, de m’avoir donné l’autorisation de

soutenance de ce mémoire.

Ensuite, j’exprime mes vifs remerciements à Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa, qui

n’a pas ménagé ses efforts pour me diriger et conseiller durant mes études. J’apprécie

également le grand honneur qu’il me fait en président le jury de ce mémoire.

Monsieur ANDRIAMANOHISOA Hery Zo, qui m’a assisté en tant qu’encadreur

pédagogique et qui, avec beaucoup de patience et de compréhension, a accepté de diriger ce

travail.

Je remercie Monsieur ANDRIAMANALINA William, Monsieur RAKOTONDRAINIBE

Faniry, Monsieur RAMELINA Lala Arimonjy, d’être parmi les membres de jury.

J’exprime également ma reconnaissance et mes remerciements à tous les enseignants de

département Génie Industriel de l’ESPA qui m’ont partagé leur savoir-faire.

Et je tiens aussi plus particulièrement à remercier toute ma famille qui m’a soutenu tant

moralement que financièrement durant toutes mes années d’études, tous mes amis(es) et mes

collègues et enfin à tous ceux qui ont de près ou de loin contribué à la réalisation de ce

mémoire.

MERCI A TOUS

iv

SOMMAIRE

REMERCIEMENTS

SOMMAIRE

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES ABREVIATIONS

INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 1

CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES.............................................................................................. 2

I Introduction aux systèmes automatisés ..................................................................................... 3

II Automatisation ............................................................................................................................ 5

III Structure d'un système automatisé ............................................................................................ 7

CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL ...................................................................... 23

IV HISTORIQUE ............................................................................................................................... 24

V Place de l'API dans le système automatisé de production (S.A.P.) : ......................................... 25

VI Architecture des automates : .................................................................................................... 27

VII Câblage des entrées / sorties d'un automate : ..................................................................... 31

VIII Traitement du programme automate ................................................................................... 33

IX Sécurité : .................................................................................................................................... 35

X Les automates et la communication : ....................................................................................... 36

XI Critères de choix d'un automate : ............................................................................................. 39

CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE .......................... 41

XII Langages de programmation : ............................................................................................... 42

XIII Programmation à l'aide du GRAFCET (SFC : Sequential Function Chart) : ............................ 44

XIV GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes–Transitions). :................................. 44

XV Le langage à contact ou Ladder ............................................................................................. 47

XVI Grafcet et langage LADDER ................................................................................................... 48

XVII Organisation d'un programme d'automate programmable ................................................. 50

CHAPITRE IV ........................................................................................................................................... 52

SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O ......................................................................... 52

XVIII I. INTRODUCTION .................................................................................................................. 53

XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION ................................................................................................. 53

CONCLUSION ......................................................................................................................................... 56

ANNEXES .................................................................................................................................................. 1

v

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES

ANNEXES

TABLE DES MATIERES

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Structure d'un système automatisé ........................................................................................ 8

Figure 2 : Les éléments essentiels des systèmes automatisés ................................................................ 9

Figure 3 : Moteur synchrone ................................................................................................................... 9

Figure 4 : Moteur asynchrone ............................................................................................................... 10

Figure 5 : Moteur pas à pas ................................................................................................................... 10

Figure 6 : Machine électrique à courant continu .................................................................................. 11

Figure 7 : Vérin à double effet ............................................................................................................... 11

Figure 8 : Vérin à simple effet ............................................................................................................... 12

Figure 9 : Vérin linéaire ......................................................................................................................... 12

Figure 10 : Vérin rotatif ......................................................................................................................... 12

Figure 11 : Coupe d'un vérin ................................................................................................................. 13

Figure 12 : Vanne à commande électrique ........................................................................................... 13

Figure 13 : Vérin à commande pneumatique ........................................................................................ 14

Figure 14 : Vérin à commande hydraulique .......................................................................................... 14

Figure 15 : Contacteur ........................................................................................................................... 15

Figure 16 : Schéma de la commande d'un contacteur .......................................................................... 15

Figure 17 : Relais électromagnétique .................................................................................................... 16

Figure 18 : Relais statique ..................................................................................................................... 16

Figure 19 : Distributeur pneumatique ................................................................................................... 17

Figure 20 : Capteur ................................................................................................................................ 18

Figure 21 : Détecteur inductif ............................................................................................................... 18

Figure 22 : Détecteur capacitif .............................................................................................................. 19

Figure 23 : Détecteur photoélectrique .................................................................................................. 19

Figure 24 : Fonctionnement du détecteur de type barrage .................................................................. 20

Figure 25 : Détecteur de niveau ............................................................................................................ 20

Figure 26 : Transmetteur ....................................................................................................................... 21

Figure 27 : Diagramme d'un système automatisé de production ......................................................... 25

Figure 28 : Structure d'un système automatisé .................................................................................... 26

Figure 29 : Automate compact et automate modulaire ....................................................................... 28

Figure 30 : Module d’alimentation ........................................................................................................ 28

Figure 31 : Schéma de la structure interne de l'API .............................................................................. 29

Figure 32 : Câblage des entrées / sorties d'un automate ..................................................................... 32

Figure 33 : Alimentation des entrées de l'automate ............................................................................. 33

Figure 34 : Alimentation des sorties de l'automate .............................................................................. 33

Figure 35 : Schéma de traitement de l'automate ................................................................................. 34

vi

Figure 36 : Temps de réponse totale ..................................................................................................... 34

Figure 37 : Réseaux locaux industriels .................................................................................................. 39

Figure 38 : Exemple de langage IL ......................................................................................................... 42

Figure 39 : Exemple de langage ST ........................................................................................................ 42

Figure 40 : Exemple de langage LLD ...................................................................................................... 43

Figure 41 : Exemple de langage FBD ..................................................................................................... 44

Figure 42 : Exemple de GRAFCET .......................................................................................................... 44

Figure 43 : Symbolisation du GRAFCET ................................................................................................. 46

Figure 44 : Mode d'exécution des instructions en LLD ......................................................................... 48

Figure 45 : Exemple de fonction mémoire GRAFCET ............................................................................ 49

Figure 46 : Equivalence de la figure 45 en LADDER ............................................................................... 49

Figure 47 : Mémoire avec priorité à l'arrêt ........................................................................................... 50

Figure 48 : Mémoire avec priorité à la marche ..................................................................................... 50

Figure 49:simulation de tri d'objet automatisé ..................................................................................... 53

vii

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Représentation des éléments principaux du LLD ............................................................... 47

viii

LISTE DES ABREVIATIONS

ASIC : Application-specific integrated circuit

PO : Partie opérative

PC : Partie commande

TOR : Tout Ou Rien

GM : General Motors

API : Automate Programmable industriel

IHM : Interface Homme Machine

ROM : Read Only Mémory

PROM : Programmable Read Only Memory

EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

RAM : Read Access Memory

PCMCIA : Personal Computer Memory Card International Association

S.A.P : Système Automatisé de Production

CPU : Central Process Unit

CAN : Conversion Numérique

TRT : Temps de réponses Totale

CEM : Compatibilité Electromagnétique

APIdS : Automate Programmable industriel de Sécurité

CIM : Computer Integrated Manufacturing

GRAFCET :graphe fonctionnel de commande étapes / transitions

ST : Structured Text

LD : Ladder diagram

LLD : Langage Ladder diagram

FBD : Function Bloc Diagram

PLC : Programmable Logic Controller

BP : Bouton poussoir

1

INTRODUCTION Dans un concept de mondialisation, la compétitivité des entreprises sont soumis à rudes

épreuves. Il est important d’optimiser au maximum les rendements pour obtenir un maximum

de profit. Avec l’arrivée des technologies numériques, les industriels ont façonné leurs modes

de production pour pouvoir être à la pointe des évolutions technologiques. Les industries sont

depuis longtemps confronter à des nombreux problèmes de surnombre d’ouvrier avec de

capacités de production non satisfaisantes. Les ingénieurs ont toujours cherché comment

accroitre les capacités de production tout en ayant le minimum de personnel et de coût de

production. Petit à petit, les ingénieurs ont élaboré des systèmes pour être en accord avec

l’évolution des technologies numériques. C’est ainsi qu’est apparu le système automatisés.

L’avènement de L’automate programmable industriel (API) a vraiment révolutionné

l’environnement du monde industriel car il a permis de résoudre des nombreux problèmes liés

à la production industriel et d’améliorer la capacité de production, accroitre le niveau de

sécurité des personnels. L’API a permis la mise en application des systèmes automatisés à

l’échelle industrielle.

Toutefois, le prix des appareils électriques sont très cher et il faut donc avoir un système

fiable mais à moindre coût.

L’objet de ce mémoire est d’étudier et de comprendre toutes les fonctionnalités de l’API. Car

il est important pour un ingénieur industriel de savoir et d’exploiter tous les avantages dans

l’utilisation d’un API.

De ce fait, ce document comportera :

Dans le premier Chapitre sera étudié les systèmes automatisés.

Ensuit dans la deuxième, l’étude de l’automate programmable Industriel.

Suivie dans le chapitre III, l’étude de langage de programmation de l’API ;

Et enfin, simulation d’un système de triage automatique à l’aide du logiciel FACTORY I/O.

2

CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES

3

I INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES

I.1 Fonction globale d'un système

La fonction globale de tout système automatisé est de conférer une valeur ajoutée à un

ensemble de matières d'œuvre dans un environnement ou contexte donné.

I.1.1 Matières d’œuvre

Une matière d’œuvre peut se présenter sous plusieurs formes. Par exemple :

• un PRODUIT, c'est-à-dire de la matière, à l'état solide, liquide ou gazeux, et sous une

forme plus ou moins transformée :

− des objets techniques : lingot, roulement, moteur, véhicule...

− des produits chimiques : pétrole, éthylène, matière plastique...

− des produits textiles : fibre, tissu, vêtement...

− des produits électroniques : transistor, puce, microprocesseur, automate

programmable...

− etc.

− qu'il faut : concevoir, produire, stocker, transporter, emballer, utiliser...

• de l'ENERGIE

− sous forme : électrique, thermique, hydraulique...

− qu'il faut : produire, stocker, transporter, convertir, utiliser...

• de l'INFORMATION

− sous forme écrite, physique, audiovisuelle...

− qu'il faut : produire. stocker, transmettre, communiquer, décoder, utiliser...

• des ETRES HUMAINS

− pris individuellement ou collectivement

− qu'il faut : former, informer, soigner, transporter, Servir...

I.1.2 Valeur ajoutée

La Valeur Ajoutée à ces matières d’œuvre est l'objectif global pour lequel a été défini conçu,

réalisé, puis éventuellement modifié, le système. Cette Valeur Ajoutée peut résulter par

exemple :

4

• d'une MODIFICATION PHYSIQUE des matières d’œuvre

− traitement mécanique : usinage, formage, broyage, impression…

− traitement chimique ou biologique

− conversion d'énergie

− traitement thermique : cuisson, congélation...

− traitement superficiel : peinture, teinture...

• d'un ARRANGEMENT PARTICULIER, sans modification des matières d’œuvre

− montage, emballage, assemblage...

− couture, collage...

• d'une MISE EN POSITION particulière, ou d'un TRANSFERT, de ces matières

d’œuvre

− manutention, transport, stockage

− commerce

− communication

• d'un PRELEVEMENT D'INFORMATION sur ces matières d’œuvre

− contrôle mesure lecture examens...

I.1.3 Contexte et valeur ajoutée

La nature, la quantité et la qualité de la valeur ajoutée peuvent varier pour tenir compte de

l'évolution des besoins de la société dans laquelle s'insère le système. Ce qui peut conduire à

modifier le système, voire l'abandonner pour en construire un nouveau.

L'environnement, c'est-à-dire le contexte physique, social, économique, politique, ... joue un

rôle essentiel dans le fonctionnement du système et influe sur la qualité et/ou la quantité de la

valeur Ajoutée.

I.2 Système de production

Un système de production est un système à caractère industriel possédant les caractéristiques

suivantes :

− l'obtention de la valeur ajoutée présente, pour un ensemble de matières d’œuvre

donné, un caractère reproductible,

5

− la valeur ajoutée peut être exprimée et quantifiée en termes économiques Un

système de production répond au besoin d'élaborer des produits, de l'énergie ou de

l'information à un coût rentable pour l'utilisateur du système.

L'élaboration progressive de la valeur ajoutée sur les matières d’œuvre est obtenue :

− au moyen d'un ensemble d'éléments ou de dispositifs opératifs, appelés partie

opérative et plus ou moins mécanisés,

− par l'action, à certains moments, d'opérateurs humains et/ou de dispositifs de

commande pour assurer la coordination des dispositifs opératifs.

Exemples de système de production

− usine de fabrication chimique, métallurgique, électronique...

− société de service (informatique...), groupe de presse, banque...

II AUTOMATISATION

L'automatisation de la production consiste à transférer tout ou partie des tâches de

coordination, auparavant exécutées par des opérateurs humains, dans un ensemble d'objets

techniques appelé

II.1 PARTIE COMMANDE.

La Partie Commande mémorise le savoir-faire des opérateurs pour obtenir la suite des actions

à effectuer sur les matières d’œuvre afin d'élaborer la valeur ajoutée.

Elle exploite un ensemble d'informations prélevées sur la Partie Opérative pour élaborer la

succession des ordres nécessaires pour obtenir les actions souhaitées.

II.1.1 Objectifs de l'automatisation

L'automatisation permet d'apporter des éléments supplémentaires à la valeur ajoutée par le

système. Ces éléments sont exprimables en termes d'objectifs par :

6

− accroître la productivité du système c'est-à-dire augmenter la quantité de produits

élaborés pendant une durée donnée. Cet accroissement de productivité exprime un

gain de valeur ajoutée sous forme :

� d'une meilleure rentabilité,

� d'une meilleure compétitivité.

− améliorer la flexibilité de production ;

− améliorer la qualité du produit grâce à une meilleure répétabilité de la valeur

ajoutée

− s'adapter à des contextes particuliers :

� adaptation à des environnements hostiles pour l'homme (milieu salin, spatial,

nucléaire...),

� adaptation à des tâches physiques ou intellectuelles pénibles pour l'homme

(manipulation de lourdes charges, tâches répétitives parallélisées...),

− augmenter la sécurité.

D'autres objectifs, à caractères sociaux, financiers... peuvent s'ajouter à ceux-ci.

II.1.2 Conduite et surveillance d'un système automatisé

Il s'avère très difficile en pratique d'intégrer dans une Partie Commande la totalité des savoir-

faire humains de sorte que l'automatisation reste souvent partielle : certaines tâches restent

confiées à des intervenants humains.

A ces causes techniques viennent s'ajouter des considérations économiques de compétitivité,

des considérations financières imposant un fractionnement des investissements, des

considérations sociales d'automatisation douce.

Certaines tâches restent donc manuelles et l'automatisation devra donc prendre en compte la

spécificité du travail humain, c'est-à-dire en particulier :

− assurer le dialogue entre les intervenants et le système automatisé,

− assurer la sécurité de ces intervenants dans l'exécution de leurs tâches manuelles.

En outre le modèle de fonctionnement de la Partie Commande, choisi par le concepteur du

système, ne correspond qu'à un ensemble de situations prévues, c'est-à-dire retenues parle

concepteur parmi un ensemble de situations possibles.

7

Or il est impératif de pouvoir faire face à des situations non prévues (donc non retenues en

général pour des raisons économiques compte tenu de leur faible probabilité), voire

imprévisibles.

Seul un opérateur peut alors intervenir et prendre les décisions requises par cette situation : il

assure une fonction de conduite et de surveillance du système automatisé. Cette fonction peut

être plus ou moins assistée par un ensemble de moyens (pupitres, informatique...).

Le concepteur devra alors :

− fournir à l'intervenant (ou lui permettre de prélever) toutes les informations

significatives (ou indices) nécessaires à l'analyse de la situation,

− lui permettre d'agir sur le système, soit directement (dépannage...), soit

indirectement (consignes de sécurité, de marches et d'arrêts...).

III STRUCTURE D'UN SYSTEME AUTOMATISE

Tout système automatisé comporte :

− une PARTIE OPERATlVE (P.O.) procédant au traitement des matières d’œuvre

afin d'élaborer la valeur ajoutée,

− une PARTIE COMMANDE (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la

Partie Opérative avec la finalité d'obtenir cette valeur ajoutée.

8

Figure 1 : Structure d'un système automatisé

Tout système automatisé est en interaction :

− avec le contexte ou milieu environnant physique et humain extérieur au système

La Partie Commande d'un système isolé est un ensemble de composants et de constituants de

traitement de l'information, destiné :

− à coordonner la succession des actions sur la Partie Opérative,

− à surveiller son bon fonctionnement,

− à gérer les dialogues avec les intervenants,

− à gérer les communications avec d'autres systèmes,

− à assurer le traitement des données et des résultats relatifs au procédé, aux matières

d’œuvre, aux temps de production, à la consommation énergétique... (gestion

technique).

Les éléments essentiels dans les systèmes automatisés :

9

Figure 2 : Les éléments essentiels des systèmes automatisés

III.1 Partie Opérative :

III.1.1 Les actionneurs :

a - Les actionneurs électriques :

- Moteur à courant alternative :

Il existe deux sortes de moteur à courant alternatif:

� En premier nous avons les moteurs synchrones qui sont utilisés pour les TGV aussi

appelé alternateur quand il est utilisé comme générateur.

Figure 3 : Moteur synchrone

10

� En deuxième on trouve le moteur asynchrone Qui ne possède aucune connexion entre

le rotor et le stator (cas rotor cage d'écureuil). Ce moteur est essentiellement alimenter

par des systèmes de courant triphasés.

Figure 4 : Moteur asynchrone

- Les moteurs pas à pas

Ce sont des machines électrique Synchrone, ou le rotor est en aimant permanant, Et le

stator constitue par des bobines commandées par un courant continu géré par un système

électronique

Figure 5 : Moteur pas à pas

Avantage

• Sans balais

• Couple important même en petite vitesse

• Asservissement de position sans perte d’angle

• Vitesse important

11

- Une machine électrique à courant continu est constituée :

D’un stator à base d’un flux de champ magnétique crée soit par des enroulements

bobinée soit par un aiment permanent

D’un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité de chaque

enroulement rotorique.

Figure 6 : Machine électrique à courant continu

b - Les actionneurs pneumatiques

- Les vérins pneumatiques :

� il fournit une énergie mécanique à partir d’une énergie pneumatique

� Ils produisent un mouvement de translation.

- Type des vérins :

� Vérin double effet

Figure 7 : Vérin à double effet

� Vérin simple effet

12

Figure 8 : Vérin à simple effet

� Vérin linéaire

Figure 9 : Vérin linéaire

� Vérin rotatif

Figure 10 : Vérin rotatif

13

Figure 11 : Coupe d'un vérin

c - Autre actionneurs

• Ventouses pneumatique : Très utilisée dans la manipulation d’objets.

• vanne à commande:

– Électrique (électrovanne)

Figure 12 : Vanne à commande électrique

– Pneumatique

14

Figure 13 : Vérin à commande pneumatique

– Hydraulique

Figure 14 : Vérin à commande hydraulique

III.1.2 LES PREACTIONNEURS

Les préactionneurs se sont des dispositifs intermédiaires pour la commande des

actionneurs.

a - Les contacteurs et les relais:

Le contacteur est un appareil électromécanique de commande mécanique de connexion,

capable d’établir, de supporter et d’interrompre des courants dans les conditions normales

du circuit, y compris les conditions de surcharges en services.

15

Figure 15 : Contacteur

La commande des contacteurs se fait par l’alimentation électrique de la bobine interne du

contacteur

Figure 16 : Schéma de la commande d'un contacteur

Les relais se sont des interfaces de commande Il est chargé de transmettre un ordre de la

partie commande à la partie puissance d'un appareil électrique et permet, entre autres, un

isolement galvanique entre les deux parties.

Type :

� Relais électromécanique

16

Figure 17 : Relais électromagnétique

Relais statique

Le relais statique: relais électronique à base de Photo coupleur qui assure l’isolement

électrique des deux parties électrique.

Figure 18 : Relais statique

Les distributeurs

Pour chaque vérin pneumatique, on associera un distributeur.

La commande du distributeur peut être pneumatique ou électrique.

Les distributeurs sont constitués d’un corps contenant plusieurs orifices et d’un tiroir

pouvant prendre plusieurs positions dont une seule est active. Le symbole d’un

distributeur se présente sous la forme suivante

17

Figure 19 : Distributeur pneumatique

III.1.3 LES CAPTEURS:

Un Capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une

grandeur utilisable.

Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état

en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.

Quelque principe physique exploité par les capteurs :

Angle, Courant, Champ magnétique, Débit, Déplacement, Distance, Force, Inertiels,

Lumière, Niveau, Position, Pression, Son, Température, forme.

a - Les capteurs tout ou rien

Sur la majorité des systèmes automatisés, le traitement des données est effectué sur des

variables de type logiques (informations sur 2 états).

Ces variables représentent généralement :

• La présence ou l’absence de l’objet à détecter

• Le passage de l’objet

• Le positionnement de l’objet

• Éventuellement le comptage de l’objet

En fonction des applications on distingue deux

Types de technologies :

• Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre dir

en contact avec un élément du capteur

• Les capteurs à détection sans contact, pour lesquels l’objet est

le capteur

Les interrupteurs de positions sont des appareils actionnés par contact direct avec l’objet à

détecter. Ils transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact

électrique.

• Le dispositif d’attaque

• Le corps équipé de contact

• La tête de commande (tête

- Le Détecteur inductif

Les détecteurs inductifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques à

distance. Une sortie statique informe de la détection

Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre dir

avec un élément du capteur

Les capteurs à détection sans contact, pour lesquels l’objet est détecté


transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact

Le dispositif d’attaque (à poussoir, à levier, à tige...)

Le corps équipé de contact (NO ou NF)

(tête à mouvement rectiligne, angulaire ou multidir

Figure 20 : Capteur


distance. Une sortie statique informe de la détection

Figure 21 : Détecteur inductif

18

Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet à détecter entre directement

détecté à distance par


transforment ce contact physique en une fermeture ou ouverture d’un contact

multidirectionnel)


- Le détecteur capacitif

Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métal

isolants à distance (solide, liquide ou

détection.

Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les condensateurs

constituent la face sensible. Celle

L’autre armature étant constit

sortie, correspondant à un contact NO ou NF, est délivré.

- Les détecteurs photoélectriques

Ce sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances

centimètres à plusieurs dizaines de

avec ou sans réflecteur, ou de deux boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur.

Principe de fonctionnement

Un détecteur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur

photosensible. Dans le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et

placés l'un en face de l'autre.

Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métal

solide, liquide ou pulvérulent). Une sortie statique informe de la

Figure 22 : Détecteur capacitif


constituent la face sensible. Celle-ci est formée par l’une des armatures du condensateur.

L’autre armature étant constituée par l’objet à détecter. Après mise en forme, un signal de

sortie, correspondant à un contact NO ou NF, est délivré.

Les détecteurs photoélectriques

sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances

lusieurs dizaines de mètres). Ils se présentent sous la forme d'un boîtier


Figure 23 : Détecteur photoélectrique

Principe de fonctionnement:

teur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur

le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et

placés l'un en face de l'autre.

19

Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de détecter des objets métalliques ou

. Une sortie statique informe de la


ci est formée par l’une des armatures du condensateur.

uée par l’objet à détecter. Après mise en forme, un signal de

sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances (quelques

. Ils se présentent sous la forme d'un boîtier


teur de type barrage est composé d'un émetteur de lumière associé à un récepteur

le cas du système barrage, les deux composants sont indépendants et

Figure

- Les détecteurs de niveau

Il permet le maintien d’un niveau à des points spécifiques (niveau haut et niveau bas) et

alarme pour un niveau anormalement bas

- Le détecteur de pression

Les pressostats et les vacuostats ont pour fonction de contrôler ou de réguler une pression

ou une dépression dans un circuit hydraulique ou pneumatique.

franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal élect

Analogique

Une partie hydraulique comprenant:

• un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler

• des systèmes de ressorts pour les différents réglages

Les pressostats et vacuostats sont constitués de deux parties di

Figure 24 : Fonctionnement du détecteur de type barrage


alarme pour un niveau anormalement bas

Figure 25 : Détecteur de niveau


ou une dépression dans un circuit hydraulique ou pneumatique. Ils transforment le

franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal élect

partie hydraulique comprenant:

un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler

des systèmes de ressorts pour les différents réglages

Les pressostats et vacuostats sont constitués de deux parties distinctes :

20



Ils transforment le

franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signal électrique TOR ou

un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler

• un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à

la partie électrique

• une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.

b - LES CAPTEURS ANALOGIQUES

Le fonctionnement des thermomètres à résistan

phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la

température. Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un

agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de

thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part.

Thermomètre à résistance

Thermomètres à thermistance

Comparatif

Couple thermoélectrique

Sonde de niveau capacitive

III.1.4 LES TRANSMETTEURS

C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un

signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée. Le

transmetteur est destiné à être monté en tête de sonde. Le signal

température, de niveau, etc.…)

linéarisé. La liaison 2 fils assure à la fois l'alimentation et la transmission du signal

un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à

une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.

LES CAPTEURS ANALOGIQUES

Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même


Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un

étalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de

thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part.

ANSMETTEURS



transmetteur est destiné à être monté en tête de sonde. Le signal du détecteur

etc.…) est converti par le transmetteur 2 fils en un signal courant


Figure 26 : Transmetteur

21

un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmet l’information à

une partie électrique comprenant des contacts ou une sortie statique.

ce et des thermistances est basé sur un même


Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un

étalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de



du détecteur (sonde de

est converti par le transmetteur 2 fils en un signal courant


22

Deux types de transmission du signal cohabitent :

La boucle de tension : 0-10 V, 5V- 10V

Le capteur délivre une tension proportionnelle à la grandeur mesurée. Attention cependant au

problème des parasites radioélectriques

La boucle de courant : 0-20mA, 4-20mA

Le capteur délivre un courant proportionnel à la grandeur mesurée. La faible impédance du

circuit améliore l’immunité aux parasites de la boucle et lui confère une plus grande précision.

La boucle de courant 4 - 20 mA présente l’avantage de permettre la détection d’une coupure

de la ligne si i = 0 mA (sécurité fil coupée).

23

CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE

INDUSTRIEL

24

IV HISTORIQUE Les automates programmables industriels sont apparus à la fin des années soixante, à la

demande de l'industrie automobile américaine (GM), qui réclamait plus d'adaptabilité de leurs

systèmes de commande.

Les coûts de l'électronique permettant alors de remplacer avantageusement les technologies

actuelles.

Avant on utilise des relais électromagnétiques et des systèmes pneumatiques pour la

réalisation des parties commandes qui ont comme inconvénient d’être cher, pas de flexibilité

et pas de communication possible on appelais ceci la logique câblée.

La solution est donc l’utilisation de systèmes à base de microprocesseurs permettant une

modification aisée des systèmes automatisés qui est la logique programmée.

Les ordinateurs de l'époque étant chers et non adaptés aux contraintes du monde industriel, les

automates devaient permettre de répondre aux attentes de l'industrie.

IV.1 Contraintes du monde industriel :

Influences externes :

− poussières,

− Température

− humidité,

− vibrations,

− parasites électromagnétiques, …

Personnel :

− mise en œuvre du matériel aisée (pas de langage de programmation complexe)

− dépannage possible par des techniciens de formation électromagnétique)

− possibilité de modifier le système en cours de fonctionnement

Matériel :

− - évolutif

− - modulaire

− - implantation aisée

25

IV.2 Définition :

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.

V PLACE DE L'API DANS LE SYSTEME AUTOMATISE DE PRODUCTION (S.A.P.) :

V.1 Les systèmes automatisés de production :

L’objectif de l’automatisation des systèmes est de produire , en ayant recours le moins

possible à l’homme, des produits de qualité et ce pour un coût le plus faible possible.

Un système automatisé est un ensemble d’éléments en interaction, et organisés dans un but

précis : agir sur une matière d’œuvre afin de lui donner une valeur ajoutée.

Le système automatisé est soumis à des contraintes : énergétiques, de configuration, de

réglage et d’exploitation qui interviennent dans tous les modes de marche et d’arrêt du

système.

Figure 27 : Diagramme d'un système automatisé de production

V.2 Structure d'un système automatisé :

Tout système automatisé peut se décomposer selon le schéma ci-dessous :

26

Figure 28 : Structure d'un système automatisé

V.2.1 Partie opérative :

Elle agit sur la matière d’œuvre afin de lui donner sa valeur ajoutée.

Les actionneurs (moteurs, vérins) agissent sur la partie mécanique du système qui agit à son

tour sur la matière d’œuvre.

Les capteurs / détecteurs permettent d’acquérir les divers états du système.

V.2.2 Partie commande :

Elle donne les ordres de fonctionnement à la partie opérative.

Les préactionneurs permettent de commander les actionneurs ; ils assurent le transfert

d’énergie entre la source de puissance (réseau électrique, pneumatique …) et les actionneurs.

Exemple : contacteur, distributeur …

Ces préactionneurs sont commandés à leur tour par le bloc traitement des informations. Celui-

ci reçoit les consignes du pupitre de commande (opérateur) et les informations de la partie

opérative transmises par les capteurs / détecteurs.

En fonction de ces consignes et de son programme de gestion des tâches (implanté dans un

automate programmable ou réalisé par des relais (on parle de logique câblée)), elle va

commander les préactionneurs et renvoyer des informations au pupitre de signalisation ou à

d'autres systèmes de commande et/ou de supervision en utilisant un réseau et un protocole de

communication.

27

V.2.3 Poste de contrôle :

Composé des pupitres de commande et de signalisation, il permet à l’opérateur de

commander le système (marche, arrêt, départ cycle …).

Il permet également de visualiser les différents états du système à l’aide de voyants, de

terminal de dialogue ou d’interface homme-machine (IHM).

V.3 Domaines d'emploi des automates :

On utilise les API dans tous les secteurs industriels pour la commande des machines

(convoyage, emballage ...) ou des chaînes de production (automobile, agroalimentaire ...) ou

il peut également assurer des fonctions de régulation de processus (métallurgie, chimie ...).

Il est de plus en plus utilisé dans le domaine du bâtiment (tertiaire et industriel) pour le

contrôle du chauffage, de l'éclairage, de la sécurité ou des alarmes.

V.4 Nature des informations traitées par l'automate :

Les informations peuvent être de type :

− 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 …

− 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 …)

− Numérique : l'information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou

bien hexadécimale. C'est le type d'information délivrée par un ordinateur ou un

module intelligent.

VI ARCHITECTURE DES AUTOMATES :

VI.1 Aspect extérieur :

Les automates peuvent être de type compact ou modulaire.

De type compact, on distinguera les modules de programmation (LOGO de Siemens, ZELIO

de Schneider, MILLENIUM de Crouzet ...) des microautomates.

Il intègre le processeur, l'alimentation, les entrées et les sorties. Selon les modèles et les

fabricants, il pourra réaliser certaines fonctions supplémentaires (comptage rapide, E/S

28

analogiques ...) et recevoir des extensions en nombre limité.

Ces automates, de fonctionnement simple, sont généralement destinés à la commande de

petits automatismes.

De type modulaire, le processeur, l'alimentation et les interfaces d'entrées / sorties résident

dans des unités séparées (modules) et sont fixées sur un ou plusieurs racks contenant le "fond

de panier" (bus plus connecteurs).

Ces automates sont intégrés dans les automatismes complexes où puissance, capacité de

traitement et flexibilité sont nécessaires.

Figure 29 : Automate compact et automate modulaire

Figure 30 : Module d’alimentation

1. Module d'alimentation 6. Carte mémoire

2. Pile de sauvegarde 7. Interface multipoint (MPI)

3. Connexion au 24V cc 8. Connecteur frontal

4. Commutateur de mode (à clé) 9. Volet en face avant

5. LED de signalisation d'état et de défauts

29

VI.2 Structure interne

Figure 31 : Schéma de la structure interne de l'API

Module d'alimentation : il assure la distribution d'énergie aux différents modules.

Unité centrale : à base de microprocesseur, elle réalise toutes les fonctions logiques,

arithmétiques et de traitement numérique (transfert, comptage, temporisation ...).

Mémoires : Elles permettent de stocker le système d'exploitation (ROM ou PROM), le

programme(EEPROM) et les données système lors du fonctionnement (RAM). Cette dernière

est généralement secourue par pile ou batterie. On peut, en règle générale, augmenter la

capacité mémoire par adjonction de barrettes mémoires type PCMCIA.

Interfaces d'entrées / sorties :

• Interface d'entrée : elle permet de recevoir les informations du S.A.P. ou du pupitre et

de mettre en forme (filtrage, ...) ce signal tout en l'isolant électriquement

(optocouplage).

• Interface de sortie : elle permet de commander les divers préactionneurs et éléments de

signalisation du S.A.P. tout en assurant l'isolement électrique.

VI.3 Fonctions réalisées :

Les automates compacts permettent de commander des sorties en T.O.R et gèrent parfois des

30

fonctions de comptage et de traitement analogique.

Les automates modulaires permettent de réaliser de nombreuses autres fonctions grâce à des

modules intelligents que l'on dispose sur un ou plusieurs racks. Ces modules ont l'avantage de

ne pas surcharger le travail de la CPU car ils disposent bien souvent de leur propre processeur.

Principales fonctions :

• Cartes d'entrées / sorties : Au nombre de 4, 8, 16 ou 32, elles peuvent aussi bien

réaliser des fonctions d'entrées, de sorties ou les deux.

Ce sont les plus utilisées et les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V

continu ou alternatif ...).

Les voies peuvent être indépendantes ou posséder des "communs".

Les cartes d'entrées permettent de recueillir l'information des capteurs, boutons ... qui lui sont

raccordés et de la matérialiser par un bit image de l'état du capteur.

Les cartes de sorties offrent deux types de technologies : les sorties à relais

électromagnétiques (bobine plus contact) et les sorties statiques (à base de transistors ou de

triacs).

• Cartes de comptage rapide : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences

élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate.

Exemple : signal issu d'un codeur de position.

• Cartes de commande d'axe : Elles permettent d'assurer le positionnement avec

précision d'élément mécanique selon un ou plusieurs axes. La carte permet par

exemple de piloter un servomoteur et de recevoir les informations de positionnement

par un codeur. L'asservissement de position pouvant être réalisé en boucle fermée.

• Cartes d'entrées / sorties analogiques : Elles permettent de réaliser l'acquisition d'un

signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un

traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est

également réalisée. Les grandeurs analogiques sont normalisées : 0-10V ou 4-20mA.

Autres cartes :

− Cartes de régulation PID

− Cartes de pesage

31

− Cartes de communication (Ethernet ...)

− Cartes d'entrées / sorties déportées

VII CABLAGE DES ENTREES / SORTIES D'UN AUTOMATE :

VII.1 Câblage des entrées / sorties d'un automate :

L'automate est alimenté généralement par le réseau monophasé 230V ; 50 Hz mais d'autres

alimentations sont possibles (110V etc. ...).

La protection sera de type magnétothermique (voir les caractéristiques de l'automate et les

préconisations du constructeur).

Il est souhaitable d'asservir l'alimentation de l'automate par un circuit de commande

spécifique (contacteur KM1).

De même, les sorties seront asservies au circuit de commande et alimentées après validation

du chien de garde.

32

Figure 32 : Câblage des entrées / sorties d'un automate

VII.2 Alimentation des entrées de l'automate :

L'automate est pourvu généralement d'une alimentation pour les capteurs/détecteurs (attention

au type de logique utilisée : logique positive ou négative).

Les entrées sont connectées au OV (commun) de cette alimentation.

Les informations des capteurs/détecteurs sont traitées par les interfaces d'entrées.

33

Figure 33 : Alimentation des entrées de l'automate

VII.3 Alimentation des sorties de l'automate :

Les interfaces de sorties permettent d'alimenter les divers préactionneurs.

Il est souhaitable d'équiper chaque préactionneur à base de relais de circuits RC.

Figure 34 : Alimentation des sorties de l'automate

VIII TRAITEMENT DU PROGRAMME AUTOMATE

Tous les automates fonctionnent selon le même mode opératoire :

34

Figure 35 : Schéma de traitement de l'automate

• Traitement interne : L'automate effectue des opérations de contrôle et met à jour

certains paramètres systèmes (détection des passages en RUN / STOP, mises à jour

des valeurs de l'horodateur, ...).

• Lecture des entrées : L'automate lit les entrées (de façon synchrone) et les recopie dans

la mémoire image des entrées.

• Exécution du programme : L'automate exécute le programme instruction par

instruction et écrit les sorties dans la mémoire image des sorties.

• Ecriture des sorties : L'automate bascule les différentes sorties (de façon synchrone)

aux positions définies dans la mémoire image des sorties.

Ces quatre opérations sont effectuées continuellement par l'automate (fonctionnement

cyclique).

On appelle scrutation l'ensemble des quatre opérations réalisées par l'automate et le temps de

scrutation est le temps mis par l'automate pour traiter la même partie de programme. Ce

temps est de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour les applications standards.

Le temps de réponse total (TRT) est le temps qui s'écoule entre le changement d'état d'une

entrée et le changement d'état de la sortie correspondante :

Figure 36 : Temps de réponse totale

35

Le temps de réponse total est au plus égal à deux fois le temps de scrutation (sans traitement

particulier). Le temps de scrutation est directement lié au programme implanté. Ce temps peut

être fixé à une valeur précise (fonctionnement périodique), le système indiquera alors tout

dépassement de période.

Dans certains cas, on ne peut admettre un temps de réponse aussi long pour certaines entrées :

ces entrées pourront alors être traitées par l'automate comme des événements (traitement

événementiel) et prises en compte en priorité (exemples : problème de sécurité, coupure

d'alimentation ...).

Certains automates sont également pourvus d'entrées rapides qui sont prises en compte avant

le traitement séquentiel mais le traitement évènementiel reste prioritaire.

IX SECURITE : Les systèmes automatisés sont, par nature, source de nombreux dangers (tensions utilisées,

déplacements mécaniques, jets de matière sous pression ...).

Placé au cœur du système automatisé, l'automate se doit d'être un élément fiable car :

- un dysfonctionnement de celui-ci pourrait avoir de graves répercussions sur la

sécurité des personnes,

- les coûts de réparation de l'outil de production sont généralement très élevés,

- un arrêt de la production peut avoir de lourdes conséquences sur le plan financier.

Aussi, l'automate fait l'objet de nombreuses dispositions pour assurer la sécurité :

• Contraintes extérieures : l'automate est conçu pour supporter les différentes contraintes

du monde industriel et a fait l'objet de nombreux tests normalisés (tenue aux

vibrations, CEM ...)

• Coupures d'alimentation : l'automate est conçu pour supporter les coupures

d'alimentation et permet, par programme, d'assurer un fonctionnement correct lors de

la réalimentation (reprises à froid ou à chaud)

• Mode RUN/STOP : Seul un technicien peut mettre en marche ou arrêter un automate

et la remise en marche se fait par une procédure d'initialisation (programmée)

• Contrôles cycliques :

− Procédures d'autocontrôle des mémoires, de l’horloge, de la batterie, des

tensions d'alimentation et des entrées / sorties

36

− Vérification du temps de scrutation à chaque cycle appelée Watchdog (chien

de garde), et enclenchement d'une procédure d'alarme en cas de dépassement

de celui-ci (réglé par l'utilisateur)

• Visualisation : Les automates offrent un écran de visualisation où l'on peut voir

l'évolution des entrées / sorties

La défaillance d'un automate programmable pouvant avoir de graves répercussions en matière

de sécurité, les normes interdisent la gestion des arrêts d'urgence par l'automate ; celle-ci doit

être réalisée en technologie câblée.

On peut également ajouter des modules de sécurité à l'automate (sécurité des machines).

Il existe enfin des automates dits de sécurité (APIdS) qui intègrent des fonctions de

surveillance et de redondance accrues et garantissent la sécurité des matériels.

X LES AUTOMATES ET LA COMMUNICATION : Avec le développement des systèmes automatisés et de l'électronique (circuits ASICs), la

recherche de la baisse des coûts et la nécessité actuelle de pouvoir gérer au mieux la

production, c'est à dire :

− de recevoir les données liées à une application le plus rapidement possible,

− de consulter, contrôler ou de modifier les paramètres d'une application à distance ;

sont apparues de nouvelles technologies de câblage et de communications entre les

divers constituants des automatismes.

X.1 Les bus de terrain :

Pour diminuer les coûts de câblage des entrées / sorties des automates (systèmes étendus),

sont apparus les bus de terrains. L'utilisation de blocs d'entrées / sorties déportés a permis tout

d'abord de répondre à cette exigence.

37

Avec l'avènement des ASICs, les capteurs, détecteurs ... sont devenus "intelligents" et ont

permis de se connecter directement au bus (médium).

38

Pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs /

préactionneurs ont été développés plusieurs protocoles de communication et des standards

sont apparus (normalisés ou standards de fait).

Avantages des bus de terrain :

− Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant

− Réduction des coûts de maintenance

− Possibilités de communication

Inconvénients des bus de terrain :

− Taille du réseau limitée

− Adaptabilité aux applications à temps critique

− Coût global

X.2 Les réseaux de terrain :

L'émergence de ces nouvelles technologies à conduit à la définition de plusieurs catégories de

réseaux locaux industriels (pyramide CIM) :

− les réseaux de terrain,

− les réseaux de cellule,

− les réseaux de supervision et de commande

39

Figure 37 : Réseaux locaux industriels

La nécessité de communication entre cellules (communication entre automates) a permis de

voir apparaître de nombreuses normes de communication (Profibus, Fip ...).

Le déterminisme nécessaire pour certaines applications conduit à l'utilisation de réseaux

Maître / Esclave.

Au niveau de l'entreprise, le temps n'est plus critique et la norme Ethernet a pu se développer

rapidement, permettant ainsi la visualisation et la commande des process via le réseau

Internet.

La tendance actuelle est à l'introduction des réseaux Ethernet au plus près des automatismes

(exemple : norme Profinet).

XI CRITERES DE CHOIX D'UN AUTOMATE : Le choix d'un automate programmable est en premier lieu le choix d'une société ou d'un

groupe et les contacts commerciaux et expériences vécues sont déjà un point de départ.

Les grandes sociétés privilégieront deux fabricants pour faire jouer la concurrence et pouvoir

"se retourner" en cas de "perte de vitesse" de l'une d'entre elles.

Le personnel de maintenance doit toutefois être formé sur ces matériels et une trop grande

diversité des matériels peut avoir de graves répercussions. Un automate utilisant des langages

de programmation de type GRAFCET est également préférable pour assurer les mises au

point et dépannages dans les meilleures conditions.

40

La possession d'un logiciel de programmation est aussi source d'économies (achat du logiciel

et formation du personnel). Des outils permettant une simulation des programmes sont

également souhaitables.

Il faut ensuite quantifier les besoins :

• Nombre d'entrées / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le

nombre de racks dès que le nombre d'entrées / sorties nécessaires devient élevé.

• Type de processeur : la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions

spéciales offertes parle processeur permettront le choix dans la gamme souvent très

étendue.

• Fonctions ou modules spéciaux : certaines cartes (commande d'axe, pesage ...)

permettront de "soulager" le processeur et devront offrir les caractéristiques souhaitées

(résolution, ...).

• Fonctions de communication : l'automate doit pouvoir communiquer avec les autres

systèmes de commande (API, supervision ...) et offrir des possibilités de

communication avec des standards normalisés (Profibus ...).

41

CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION

D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE

42

XII LANGAGES DE PROGRAMMATION : Il existe 4 langages de programmation des automates qui sont normalisés au plan mondial par

la norme CEI 61131-3.

Chaque automate se programmant via une console de programmation propriétaire ou par un

ordinateur équipé du logiciel constructeur spécifique.

XII.1 Liste d'instructions (IL : Instruction list) :

Langage textuel de même nature que l'assembleur (programmation des microcontrôleurs).

Très peu utilisé par les automaticiens.

Figure 38 : Exemple de langage IL

XII.2 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.

Figure 39 : Exemple de langage ST

43

XII.3 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.

Figure 40 : Exemple de langage LLD

44

XII.4 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.

Figure 41 : Exemple de langage FBD

XIII PROGRAMMATION A 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. On peut également traduire un grafcet

en langage en contacts et l'implanter sur tout type d'automate.

Figure 42 : Exemple de GRAFCET

XIV GRAFCET (GRAPHE FONCTIONNEL DE COMMANDE ETAPES–TRANSITIONS). :

Le GRAFCET est destiné à représenter des automatismes logiques (ou discrets), c’est à dire

des systèmes à événements discrets dans lesquels les informations sont de type booléennes ou

45

peuvent s’y ramener. Le GRAFCET est utilisé généralement pour spécifier et concevoir le

comportement souhaité de la partie commande d’un système, mais il peut également être

utilisé pour spécifier le comportement attendu de la partie opérative ou bien de tout le système

de commande.

XIV.1 But du GRAFCET

Lorsque le mot GRAFCET en Capital est utilisé, il fait référence à l’outil de modélisation.

Lorsque le mot grafcet est écrit en minuscule, il fait alors référence à un modèle obtenu à

l’aide des règles du GRAFCET. Présenté sous forme d’organigramme, son but est la

description du fonctionnement de l’automatisme contrôlant le procédé. C’est tout d’abord un

outil graphique, puissant, directement exploitable, car c’est aussi un langage pour la plupart

des API existants sur le marché.

Il comprend :

– des étapes associées à des actions ;

– des transitions associées à des réceptivités ;

– des liaisons orientées reliant étapes et transitions.

46

Figure 43 : Symbolisation du GRAFCET

Fig. : Symbolisation du grafcet

• Chaque étape est représenté par un carré repéré numériquement ;

• Les étapes initiale, représentant les étapes actives au début du fonctionnement, se

différencient en doublant le côté du carré ;

• Le actions associées sont écrites de façon littérale ou symbolique, à l’intérieur d’un ou

plusieurs rectangles, de dimensions quelconques, relié à la partie droite de l’étape ;

− Les transitions sont représentées par des barres ;

− La réceptivité sont inscrites à droite.de la transition sauf cas particulier.

47

XV LE LANGAGE A CONTACT OU LADDER Le Langage graphique très populaire auprès des automaticiens pour programmer les

automates programmables industriels (PLC) :

• Permet d’écrire un programme de contrôle sous la forme d’un circuit électrique

comportant des interrupteurs.

• À la différence d’un programme s’exécutant sur un microprocesseur, les programmes

LLD s’exécutent en mode de balayages répétés.

Le langage à contact est adapté à la programmation de traitements logiques, il utilise le

schéma développé.

Nous retrouvons : La fonction ET en utilisant des contacts en série

La fonction OU en utilisant des contacts en parallèle

Graphe Désignation Fonction Schéma à Contact

Contact à fermeture contact passant quand il est

actionné

Contact à ouverture

contact passant quand il

n’est pas actionné

connexion

horizontale

permet de relier les

éléments action série

connexion verticale

permet de relier les

éléments action en parallèle

bobine directe

la sortie prend la valeur du

résultat logique

bobine inverse

la sortie prend la valeur

inverse du résultat logique

bobine

d’enclenchement

le bit interne est mis à 1 et

garde cet état

bobine

déclenchement

le bit interne est mis à 0 et

garde cet état

Tableau 1 : Représentation des éléments principaux du LLD

Un bit étant une mémoire interne logique prenant la valeur 0 ou 1

48

Une bobine d’enclenchement S « set » et bobine de déclenchement R « reset » correspondent

à un relais bistable.

En plus des blocs fonctions logiques d’automatisme, il existe les blocs de temporisation, de

comptage ...

Le réseau à contact s’inscrit entre deux barres verticales représentant la tension d’alimentation

Figure 44 : Mode d'exécution des instructions en LLD

XVI GRAFCET ET LANGAGE LADDER Même si la forme est très différente, ces deux langages ont de nombreux points communs.

• tous deux décrivent un automatisme séquentiel sous forme graphique

• le fonctionnement est découpé en structures élémentaires que le Grafcet appelle étapes

• la progression d'une étape à l'autre se fait à la suite de la survenue d'un événement

Dans un cas comme dans l'autre, la structure élémentaire, l'étape en Grafcet, est constituée

d'une fonction mémoire.

Cette fonction mémoire est mise à 1 si deux conditions sont vraies simultanément :

• l'étape précédente est active (à 1)

• l'évènement associé est vrai. (La réceptivité du Grafcet)

La mémoire est mise à 0 lorsque l'étape de la mémoire suivante est à 1 ou pendant la phase

initiale.

49

Figure 45 : Exemple de fonction mémoire GRAFCET

L'étape initiale possède une spécificité, elle doit être mise à 1 lors de la phase initiale du

fonctionnement. Sa structure reprend la précédente avec une modification

Figure 46 : Equivalence de la figure 45 en LADDER

Le Grafcet cache la structure montrée ci-dessus derrière le carré de l'étape et les différents

traits.

Le LADDER demande que l'utilisateur explicite complètement la structure, il met en œuvre

un graphisme de norme américaine.

XVI.1 Traduction d'un fonctionnement explicité sous forme d'un

Grafcet en son équivalent LADDER

Rappel de la fonction mémoire de l'électricien

Cette fonction mémoire utilise des dispositifs électromécaniques, des boutons poussoir, des

relais avec leurs contacts.

50

Figure 47 : Mémoire avec priorité à l'arrêt

Figure 48 : Mémoire avec priorité à la marche

Généralisation

La fonction mémoire, sous l'une ou l'autre forme, comprend :

• un relais et son contact

• un ordre de mise en marche, représenté ici par le BP marche

• un ordre de mise à l'arrêt, représenté ici par le BP arrêt

Traduction Grafcet vers LADDER

Le langage LADDER est graphique, il utilise la représentation des circuits à contacts, comme

ci-dessus, même pour écrire un programme destiné à un automate programmable.

Compte tenu des règles d'évolution du Grafcet, on emploiera la structure de mémoire avec

priorité à la marche.

Le principe de traduction est le suivant : à partir du schéma de la figure 4 remplacer le BP

marche par les contacts représentant l'ordre de mise en marche comme expliqué en figure

45mêmes choses pour remplacer le BP arrêt.

XVII ORGANISATION D'UN PROGRAMME D'AUTOMATE PROGRAMMABLE

L'exécution du programme d'un API est confiée à un microcontrôleur, il ne peut réaliser

qu'une tâche à la fois. Or, un circuit doit réagir rapidement aux sollicitations des entrées. Le

programme d'un API doit être organisé afin de respecter cette contrainte.

On a choisi de concevoir le programme afin qu'il s'exécute de manière cyclique avec une

durée la plus courte possible ou tout au moins d'une durée acceptable.

51

Pour un programme reproduisant un Grafcet on trouve le cycle, simplifié suivant :

• lecture de toutes les entrées

• mise à jour de la table représentative de l'état des entrées

• consultation de la table représentant l'état des étapes

• prise de décision concernant l'activation et la désactivation des étapes

• mise à jour de la table représentant l'état des étapes

• application de l'état des étapes aux sorties

• mise à jour de la table représentant l'état des sorties

• retour au début.

La durée de cycle s'étend de quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes

On remarque que ce modèle fait une distinction entre l'état des étapes et l'état des sorties. Une

sortie pouvant être active sur plusieurs étapes, une étape pouvant activer plusieurs sorties.

La prise de décision se fait en comparant la table des entrées à la table des étapes, selon les

règles d'évolution du Grafcet.

La réaction de l'API n'est pas instantanée mais de durée suffisamment courte pour être

acceptable.

52

CHAPITRE IV

SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O

53

XVIII I. INTRODUCTION Le logiciel FACTORY I/O est un logiciel produit par la société RealGames implanté aux

Etats-Unis. FACTORY I / O est un bac à sable d’automatisation en temps réel où construire et

simuler des systèmes industriels et les utiliser avec les technologies d'automatisation les plus

courantes sont possibles. Cette simulation entièrement interactive comprend la physique de

pointe, des graphismes de haute qualité et le son, offrant un environnement réaliste.

FACTORY I / O utilise une technologie innovante qui permet une création simple et rapide de

systèmes industriels 3D. L'un des systèmes intégrés peuvent être contrôlés en temps réel en se

connectant FACTORY I / O aux technologies externes, à la fois matériel et logiciel. C’est un

outil pédagogique précieux pour la formation de techniciens et futurs ingénieurs dans

plusieurs programmes et des cours tels que l'automatisation industrielle, génie électrique,

génie mécanique et beaucoup plus.

Avec le Logiciel Connect I/O, qui est associé à FACTORY I/O, on peut développer notre

propre pilote pour faire marche la simulation

XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION

XIX.1 II.1 Les éléments nécessaires pour élaborer le système :

On va simuler un centre de tri d’objet automatisé.

Figure 49:simulation de tri d'objet automatisé

Pour cette simulation, les éléments nécessaires sont :

-Un émetteur d’objet

-Deux convoyeurs 6m.

54

- deux capteurs de proximité C1 et C2.

- deux capteurs photosensibles CP1 et CP2

-Trois moteurs pivots MP1, MP2 et MP3

-Un stoppeur S1

- trois suppresseurs d’objet.

-un bouton Marche

-un bouton Arrêt

-Un indicateur lumineux marche (vert)

-Un indicateur lumineux arrêt (rouge)

-Un bouton d’arrêt d’urgence

-Un bouton reset

XIX.2 L’organigramme :

Donc on aura l’organigramme suivant :

DETECTION DE L’OBJET

OUVERTURE DU

STOPPEUR ET

ACTIONNER LE PIVOT

FERMETURE DU STOPPEUR

DESACTIONNER PIVOT

DEBUT

55

XIX.3 GRAFCET

0

Objet arrivé au niveau du stoppeur

1 2 3 4

5

6

Descente du stoppeur

Remonter le stoppeur

Arrêt du pivot actionné

Mise en marche de

pivot1 ou 2 ou 3

L’objet franchis le stoppeur

L’objet descend vers le suppresseur

Mise en marche des convoyeurs

56

CONCLUSION

L’API a complètement changé le monde de production des entreprises. Les industriel a trouvé

un nouveau mode de travail enfin de mieux exploiter tous aspect de la production. Mais ceci

n’était pas possibles sans d’abord élaborer un système automatisé performant et fiable pour

limiter le coût de la production, diminuer le nombre de personnel, accroitre le niveau de

sécurité des personnels et enfin la travailler dans un environnement plus attractif.

L’importance de des langages de programmation est donc primordiale pour pouvoir

commander les API. La maitrise de Grafcet et la conversion en langage LADDER est à ce

jour la méthode la mieux adaptée pour piloter un API.

Il est très facile pour les entreprise aujourd’hui d’adopter leurs modes de production en

utilisant les API car beaucoup il y a déjà beaucoup d’API déjà disponibles sur le marché. Mais

il faut juste avoir les personnels qualifiés pour la manutention des matériels électriques.

Le logiciel FACTORY I/O un est formidable outil pour les étudiants pour mieux maitriser les

systèmes automatisés et savoir adapter la programmation d’un API. Car c’est un logiciel

facile à manipuler, rapide et très attractif.

Madagascar pourrait beaucoup bénéficier de cette technologie pour accroître la compétitivité

des entreprises malgaches sur la scène mondial.

1

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES

N° TITRE AUTEUR EDITION [1] Cours de systèmes asservis J.Baillou,

J.P.Chemla

[2] Cours API, Automates Programmables Industriels. http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/publiperso/polyAPI.pdf

L. BERGOUGNOUX

[3] LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

William Bolton DUNOD

[4] Les automates programmables industriels. http://sitelec.org/download_page.php?filename=cours/automates_programmables_industriels.pdf

A.Gonzaga

[5] LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION INDUSTRIEL

GEORGES ASH et Coll.

Broché

1

ANNEXES

2

1

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 1

CHAPITRE I LES SYSTEMES AUTOMATISES.............................................................................................. 2

I Introduction aux systèmes automatisés ..................................................................................... 3

I.1 Fonction globale d'un système ............................................................................................ 3

I.1.1 Matières d’œuvre ............................................................................................................ 3

I.1.2 Valeur ajoutée ................................................................................................................. 3

I.1.3 Contexte et valeur ajoutée .............................................................................................. 4

I.2 Système de production ....................................................................................................... 4

II Automatisation ............................................................................................................................ 5

II.1 PARTIE COMMANDE. ........................................................................................................... 5

II.1.1 Objectifs de l'automatisation ...................................................................................... 5

II.1.2 Conduite et surveillance d'un système automatisé .................................................... 6

III Structure d'un système automatisé ............................................................................................ 7

III.1 Partie Opérative : ................................................................................................................ 9

III.1.1 Les actionneurs : .......................................................................................................... 9

a - Les actionneurs électriques : ....................................................................................... 9

- Moteur à courant alternative : .................................................................................... 9

- Les moteurs pas à pas ............................................................................................... 10

- Une machine électrique à courant continu est constituée : ..................................... 11

b - Les actionneurs pneumatiques ................................................................................. 11

- Les vérins pneumatiques : ......................................................................................... 11

- Type des vérins : ........................................................................................................ 11

c - Autre actionneurs .......................................................................................................... 13

III.1.2 LES PREACTIONNEURS ............................................................................................... 14

a - Les contacteurs et les relais: ..................................................................................... 14

III.1.3 LES CAPTEURS: ........................................................................................................... 17

a - Les capteurs tout ou rien ........................................................................................... 17

- Le Détecteur inductif ................................................................................................. 18

- Le détecteur capacitif ................................................................................................ 19

- Les détecteurs photoélectriques ............................................................................... 19

- Les détecteurs de niveau ........................................................................................... 20

- Le détecteur de pression ........................................................................................... 20

b - LES CAPTEURS ANALOGIQUES ................................................................................... 21

2

III.1.4 LES TRANSMETTEURS ................................................................................................ 21

CHAPITRE II AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL ...................................................................... 23

IV HISTORIQUE ............................................................................................................................... 24

IV.1 Contraintes du monde industriel :..................................................................................... 24

IV.2 Définition : ......................................................................................................................... 25

V Place de l'API dans le système automatisé de production (S.A.P.) : ......................................... 25

V.1 Les systèmes automatisés de production : ....................................................................... 25

V.2 Structure d'un système automatisé : ................................................................................ 25

V.2.1 Partie opérative : ....................................................................................................... 26

V.2.2 Partie commande : .................................................................................................... 26

V.2.3 Poste de contrôle : .................................................................................................... 27

V.3 Domaines d'emploi des automates : ................................................................................. 27

V.4 Nature des informations traitées par l'automate : ........................................................... 27

VI Architecture des automates : .................................................................................................... 27

VI.1 Aspect extérieur : .............................................................................................................. 27

VI.2 Structure interne ............................................................................................................... 29

VI.3 Fonctions réalisées : .......................................................................................................... 29

VII Câblage des entrées / sorties d'un automate : ..................................................................... 31

VII.1 Câblage des entrées / sorties d'un automate : ................................................................. 31

VII.2 Alimentation des entrées de l'automate : ......................................................................... 32

VII.3 Alimentation des sorties de l'automate : .......................................................................... 33

VIII Traitement du programme automate ................................................................................... 33

IX Sécurité : .................................................................................................................................... 35

X Les automates et la communication : ....................................................................................... 36

X.1 Les bus de terrain : ............................................................................................................ 36

X.2 Les réseaux de terrain : ..................................................................................................... 38

XI Critères de choix d'un automate : ............................................................................................. 39

CHAPITRE III LANGAGE DE PROGRAMMATION D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE .......................... 41

XII Langages de programmation : ............................................................................................... 42

XII.1 Liste d'instructions (IL : Instruction list) : .......................................................................... 42

XII.2 Langage littéral structuré (ST : Structured Text) : ............................................................. 42

XII.3 Langage à contacts (LD : Ladder diagram) : ....................................................................... 43

XII.4 Blocs Fonctionnels (FBD : Function Bloc Diagram) : .......................................................... 44

XIII Programmation à l'aide du GRAFCET (SFC : Sequential Function Chart) : ............................ 44

3

XIV GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes–Transitions). :................................. 44

XIV.1 But du GRAFCET............................................................................................................. 45

XV Le langage à contact ou Ladder ............................................................................................. 47

XVI Grafcet et langage LADDER ................................................................................................... 48

XVI.1 Traduction d'un fonctionnement explicité sous forme d'un Grafcet en son équivalent

LADDER ....................................................................................................................................... 49

XVII Organisation d'un programme d'automate programmable ................................................. 50

CHAPITRE IV ........................................................................................................................................... 52

SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O ......................................................................... 52

XVIII I. INTRODUCTION .................................................................................................................. 53

XIX II ETUDE DE L’INSTALLATION ................................................................................................. 53

XIX.1 II.1 Les éléments nécessaires pour élaborer le système : ............................................. 53

XIX.2 L’organigramme :........................................................................................................... 54

XIX.3 GRAFCET ........................................................................................................................ 55

CONCLUSION ......................................................................................................................................... 56

ANNEXES .................................................................................................................................................. 1

Titre : AUTOMATE PRROGRAMMABLE INDUSTRIEL ETUDE ET SIMULATION EN UTILISANT LE LOGICIEL FACTORY I/O Nombre de page : 56 Nombre de figure : 49 Nombre de tableau : 1 Nombre d’annexe : 1

Résumé :

Depuis quelques années, les entreprises industrielles s’orientent vers l’utilisation des technologies numérique pour pallier aux différentes contraintes dans la fabrication des produits finis. Ces contraintes peuvent être de temps, de coût, de sécurité ou de faisabilité.

L’automate Programmable Industriel (API) est l’outil nécessaire pour résoudre ces différents problèmes.

Mais ceci requiert, avant tout, une connaissance accrue dans les systèmes automatisés. A commencer par élaborer un système automatisé fiable jusqu’aux choix des éléments utiliser pour la composition d’un circuit automatisé.

La connaissance des langages de programmations de ces API constitue aussi une étape essentielle dans la réalisation d’un système automatisé de production.

Ce mémoire consiste à étudier tous les aspects des systèmes automatisés de production afin d’ élaborer un langage adéquat pour commander un automate programmable industriel.

Mots Clés : automate, API, programmation, langage, automatisme, capteurs, actionneurs, GRAFCET, Ladder.

Abstract:

In recent years, industrial companies are moving toward the use of digital technologies to overcome the various constraints in the manufacture of a finished product. These constraints can of time, cost, safety or feasibility.

The Programmable Logic Controller (PLC) is the necessary tool to solve these problems.

But this requires above all increased knowledge in automated systems. A first develop a reliable automated system to the choice of elements used for the composition of an automated system.

Knowledge of PLC programming of these languages is also an essential step in the realization of an automated production system.

This dissertation is to study all aspects of automated production systems to develop an appropriate language for controlling programmable logic controller.

Keywords: PLC, programming, language, automation, sensors, actuators, GRAFCET, Ladder

Impétrant: Directeur de mémoire: RAZAFILEMATANA Robertin GSM: 034 29 920 26 Email: [email protected]

Monsieur AMDRIAMANOHISOA Hery Zo

Documents

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d