gpa140 l’ingénieur en production automatisée

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GPA140GPA140 L’ingénieur en production L’ingénieur en production

automatiséeautomatisée

Conçu par Guy Gauthier (août 2001)Modifié par Pascal Côté & Jacques-André Landry (2002, 2003, 2004), Ilian Bonev

(2005)

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Plan de coursPlan de cours

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EncadrementEncadrement

Mes coordonnéesMes coordonnéesCourriel : ilian.bonev@etsmtl.caTél. : poste 8403Local : 3736

Mon expertise : robots Mon expertise : robots parallèlesparallèles

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Encadrement (suite)Encadrement (suite)

Exemple de robot parallèleExemple de robot parallèleRobot de transfertRobot de transfert Tripteron Tripteron ( (Université LavalUniversité Laval))

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Objectifs spécifiquesObjectifs spécifiques

– automates programmables ;

– la logique booléenne ;

– le GEMMA.

– le langage GRAFCET ;

– les diagrammes échelle ;

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ÉvaluationÉvaluation

Laboratoire 1 : 5 % Laboratoire 2 : 10 % Laboratoire 3 : 10 % Projet : rapport (30 mars) 10 %

oral (30 mars et 6 avril)5 %

Intra : (23 février) 25 % Final : 35 %?

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DocumentationDocumentation

Notes de cours disponibles sur le site Web :

www.gpa.etsmtl.ca/cours/gpa140www.gpa.etsmtl.ca/cours/gpa140

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Cours 1 : IntroductionCours 1 : Introduction

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Historique – DéfinitionsHistorique – Définitions

Selon les techniciens :Selon les techniciens : « L’automatisation consiste à rendre

automatique les opérations qui exigeaient auparavant l’intervention humaine » Encyclopédia Encyclopédia UniversalisUniversalis

Une autre définition :Une autre définition : « L’automatisation est considérée

comme l’étape d ’un progrès technique où apparaissent des dispositifs techniques susceptibles de seconder l’homme, non seulement dans ses efforts musculaires, mais également dans son travail intellectuel de surveillance et de contrôle. » Encyclopédia Encyclopédia UniversalisUniversalis

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Historique – Les précurseursHistorique – Les précurseurs

Blaise PascalBlaise Pascal (1623—1662) :Automatisation du calcul(La pascalinepascaline)

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Historique – Les précurseurs (suite) Historique – Les précurseurs (suite)

Pour y arriver il a dû utiliser le principe de représentation des nombres en binaire! C’est la première fois que l’on applique ce genre de représentation.

Afin d’aider son père dans son travail d’administration fiscal Blaise Pascal invente une machine à additionner et soustraire.

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Historique – Les précurseurs (suite) Historique – Les précurseurs (suite)

On doit aussi à Blaise Pascal quelques découvertes importantes appliquées encore aujourd’hui en génie :

– Pression atmosphériquePression atmosphérique : Étude sur le vide produit dans une colonne de mercure.

– Calcul différentiel et intégralCalcul différentiel et intégral (MAT115!!!) : Étude sur les cycloïdes et les volumes de révolution.

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Historique – Les précurseurs (suite)Historique – Les précurseurs (suite)

Charles BabbageCharles Babbage (1792—1871)Programmation des métiers à tisser Jacquard par carte perforée.

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Historique – Les précurseurs (suite)Historique – Les précurseurs (suite)

Les travaux de Babbage sont à l’origines de l’invention de l'ordinateur.

Il inventa le principe de la carte perforée qui sera utilisé au moins jusqu’à la fin des années 1970.

Afin de programmer les métiers à tisser il pensa à un calculateur universel possédant :

−système de gestion entrées/sorties ;−mémorisation interne ;−transfert de données ;−organe de commandes ;−opérateur arithmétique.

Malheureusement la machine n’a jamais été implantée à

cause de la technologie rudimentaire de l’époque.

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Historique – Les industriesHistorique – Les industries

La naissance de la civilisation industrielle commence avec l’invention de la machine à vapeur (18e siècle).

La plupart des industries sont localisées en Angleterre. – Transformation du coton, fonte du fer.

Isaac SingerIsaac Singer– Machine à coudre en 1851

Hamilton SmithHamilton Smith– Laveuse à linge en 1858

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Historique – Les industries (suite)Historique – Les industries (suite)

Dès 1860, l’implantation à grande échelle des nouveaux moyens de transport (bateau à vapeur et train) fait exploser le commerce.

En dépit d’une énorme extraction de charbon, cette source ne suffit plus. On voit alors apparaître l’hydro-électricité et le pétrole.

En 1914, avant la première guerre mondiale, les automobiles sont de plus en plus populaires. C’est le début de la production en série.

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Historique – Les industries (suite)Historique – Les industries (suite)

Ford Model T 1908

Ford Quadricycle 1896

Henry FordHenry Ford (1863—1947) :– Début d’une nouvelle forme

d’usine (1908—1914) ;– Avec Ford, les États-Unis

prennent une longueur d’avance sur les autres pays en ce qui concerne la production en série.

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Historique – Les industries (suite)Historique – Les industries (suite)

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Historique – Les industries (suite)Historique – Les industries (suite)

Les trois grandes contributions d’Henry Ford :1) Les cellules de travailLes cellules de travail : Ce n’est plus les employés qui se déplacent

mais la voiture qui avance le long de la chaîne de montage. (de 728 à 93 minutes par voiture !)

2) Application du principe de TaylorApplication du principe de Taylor : Les ouvriers doivent être bien payés car ce sont eux qui seront les plus susceptibles d’acheter les voitures produites

3) Standardisation des piècesStandardisation des pièces : Toutes les pièces doivent être interchangeables afin de permettre une maintenance et un assemblage plus facile. Introduction du contrôle de qualité et de la cotation fonctionnelle.

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Historique – Les industries (suite)Historique – Les industries (suite)

L’industrie automobile contribue grandement à l’essor de l’automatisation.– Vers 1960 l’industrie automobile a besoin

d’un contrôleur reprogrammable pour permettre une plus grande flexibilité des chaînes de production.

– C’est la naissance des automates programmables!

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Historique – Aujourd’huiHistorique – Aujourd’hui

Depuis les années 60 les ordinateurs sont en pleine expansion et sont intégrés à part entière dans tous les processus d’une entreprise.

Avec la lutte féroce qui ce joue, les entreprises ne doivent pas seulement optimiser les équipements, mais aussi la façon d’intégrer le marché et la façon de gérer leur entreprise.

Tous ces aspects vous seront montrés tout au long de votre baccalauréat en GPA!

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Buts de l’automatisationButs de l’automatisation

Éliminer les tâches répétitives ou sans intérêt(ex: lavage du linge ou de la vaisselle…)

Simplifier le travail de l'humain(Toute une séquence d’opération remplacée par l’appui sur un poussoir)

Augmenter la sécurité(Éviter les catastrophes)

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Buts de l’automatisation (suite)Buts de l’automatisation (suite)

Accroître la productivité(cadences de production plus élevées, pas de fatigue)

Économiser les matières premières et l'énergie(production plus efficace)

Maintenir la qualité

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Conséquences de l’automatisationConséquences de l’automatisation

Augmentation du taux de production

Diminution du coût d’achat des produits

Uniformité dans les produits manufacturés

Réduction des accidents de travail

Opérations hasardeuses possibles!

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Conséquences de l’automatisation Conséquences de l’automatisation (…)(…)

Diminution des emplois…– On remarque une diminution de la main

d’œuvre par unité produite.

– Diminution des emplois pour travailleurs non qualifiés et augmentation des emplois pour les travailleurs qualifiés

Certains types d’emplois deviennent très monotones et répétitifs(ex: inspection et surveillance des machines)

!

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Structure d’un automatismeStructure d’un automatisme

PARTIE COMMANDE

PARTIE OPÉRATIVE

ORDRES

INFORMATIONS CAPTEURS

ACTIONNEURS

ORDRES

INFO

RM

ATIO

NS

SIGNALI

SATIO

N

PARTIE RELATION

CO

NSI

GNES

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

La partie commandeLa partie commande– Automates programmables

– Séquenceurs(électromécaniques ou pneumatiques)

– Microcontrôleurs

– Cartes dédiées

– Etc.

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

La partie opérativeLa partie opérative– Moteurs électriques (CA ou CC)

– Vérins (pneumatiques ou hydrauliques)

– Vannes (électriques ou pneumatiques)

– Éléments chauffants

– Etc.

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

La partie relationLa partie relation– Panneaux de commande

−Voyants, indicateurs−Poussoirs, sélecteurs

– Interfaces Homme-Machine

– Alarmes

– Etc.

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Ces trois parties comprennent :– Des fonctions ou organes binaires ;

– Des fonctions de logique combinatoire ;

– Des fonctions de logique séquentielle.

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

La logique combinatoireLa logique combinatoire– Définition : L’état logique des sorties est

fonction de l'état des entrées

– Applications :−Circuits de sécurité et de verrouillage−Systèmes séquentiels simples

– Méthode de résolution :−Tables de Karnaugh ou de Mahoney

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

La logique séquentielleLa logique séquentielle– Définition : L’état logique des sorties est

fonction de l'état des entrées et du passé du système

– Applications :−Toutes tâches de nature séquentielle

– Méthode de résolution :−Méthode basée sur la logique combinatoire−Méthodes intuitives (géométriques)−GRAFCET

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Les tâches de l’automaticien sont :– de comprendre ;

– de concevoir.

Ses outils sont :– Le GRAFCET ;

– Le GEMMA ;

– Des guides de choix technologiques.

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Le cahier des chargesLe cahier des charges– C’est un contrat entre le client et le

fournisseur.

– Il définit les clauses :−Juridiques

(responsabilités, accidents, ...)

−Commerciales(prix, garanties, …)

−Financières

−Techniques

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Les spécifications techniquesLes spécifications techniques– Fonctionnelles :

−Description du comportement de la partie commandevis-à-vis la partie opérative et du monde extérieur ;

−On ne préjuge en aucune façon des technologies qui seront mises en œuvre.

– Outil correspondant : Le GRAFCETLe GRAFCET

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Le GRAFCETLe GRAFCET– Acronyme de GRAphe Fonctionnel de

Commande d’Étape-Transition

– Représentation graphique des divers états de fonctionnement

– Considère le cas idéal : pas de problèmes, pas de défaillances…

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Les spécifications techniquesLes spécifications techniques– Opérationnelles :

−Se rapportent au fonctionnement de l’automatisme au cours de l’exploitation.

– Outil correspondant : Le GEMMALe GEMMA

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Structure d’un automatisme Structure d’un automatisme (suite)(suite)

Le GEMMALe GEMMA– Acronyme de Guide d’Étude des Modes de

Marches et d’Arrêts

– Représentation graphique des divers états de fonctionnement, d'arrêt et de défaillance d'un automatisme.

– Spécifications opérationnelles :−Fiabilité, disponibilité, maintenance ;−Dialogue homme-machine.

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Cours 1 : Automates Cours 1 : Automates programmablesprogrammables

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OriginesOrigines

Aux États-Unis, vers 1969, l’industrie automobile demande un contrôleur reprogrammable

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Cahier des chargesCahier des charges

Contexte Contexte (Dans les années ‘60) (Dans les années ‘60) ::

Condition d’utilisation en milieu industriel :Condition d’utilisation en milieu industriel :bruit électrique, poussière, température, humidité, …

Simplicité de mise en œuvre :Simplicité de mise en œuvre :doit être utilisable par le personnel en place, programmation facile

Coûts acceptablesCoûts acceptables

les ordinateurs exigent un environnement particulier

les ordinateurs sont d’un coût astronomique les ordinateurs sont d’une utilisation complexe

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Cahier des charges (suite)Cahier des charges (suite)

Variété et nombre des entrées/sortiesVariété et nombre des entrées/sorties

Grandeur physique– tension, courant, etc.

– pression, débit, etc.

Nature– analogique

– numérique (« digital »)

– logique (tout ou rien, « discrete »)

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Spécifications actuellesSpécifications actuelles

E/S standards (logiques)E/S standards (logiques) 5 Volts (CC) 12 Volts (CC) 24 Volts (CA, CC) 48 Volts (CA, CC) 120 Volts (CA, CC) 230 Volts (CA, CC) 100 Volts (CC)

E/S standards E/S standards (analogiques)(analogiques) 0 à 5 V 0 à 10 V −5 à +5 V −10 à +10 V 0 à 20 mA 4 à 20 mA

Langage de programmation très Langage de programmation très simple (diagramme échelle, simple (diagramme échelle, « ladder »)« ladder »)

Prix accessible (100$–1000$)Prix accessible (100$–1000$)

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Les précurseursLes précurseurs

Allen Bradley(60% du marché Nord-Américain)

Siemens

ALSPA (1971 - France)

Modicon

Télémécanique (1971 - France)

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Organisation fonctionnelleOrganisation fonctionnelle

ALIMENTATION

UNITE

CENTRALE

CARTE

D'ENTRÉE

CARTE

DE

SORTIE

MODULE

DE

FON C.

BUS INTERNE OU EXTERNE

Schéma de l’automateSchéma de l’automate

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Organisation fonctionnelle Organisation fonctionnelle (suite)(suite)

Entrées DC

Sortie DCEntrées/Sorties Digitales

Mémoire

Automate non-modulaireAutomate non-modulaire

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Organisation fonctionnelle Organisation fonctionnelle (suite)(suite)

Automates modulairesAutomates modulaires

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Module d’alimentationModule d’alimentation

Ce module génère l’ensemble des tensions nécessairesCe module génère l’ensemble des tensions nécessairesau bon fonctionnement de l’automatismeau bon fonctionnement de l’automatisme

Alimentation110 VCA / 220 VCA

+24 VCC

+5 VCC

+/- 12 VCC

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L’unité centrale : processeurL’unité centrale : processeur

FonctionsFonctions : Lecture sync. des informations

d’entrée Exécution de la totalité des instructions

du programme en mémoire Écriture sync. des actions en sortie

Types d’instructions disponiblesTypes d’instructions disponibles : logique, arithmétique, transfert de mémoire,

comptage, temporisation, scrutation pas à pas lecture immédiate des entrées/sorties,

branchements, sauts, test de bit ou de mot, interruption, contrôle PID

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L’unité centrale : mémoireL’unité centrale : mémoire

Répartition des zones mémoires Répartition des zones mémoires : table image des entrées table image des sorties mémoire des bits internes mémoire programme d’application

Exprimé en Ko ou Mo(gros automates : quelques Mo)

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L’unité centrale : mémoire L’unité centrale : mémoire (suite)(suite)

Table image des entrées :Table image des entrées :(Copie des entrées reçues)(Copie des entrées reçues)

CPUI 124.X

I 125.X

I 126.X

7 0

CartesEntrées

I 124

Capteur

Table image

Octets

Bits

54

L’unité centrale : mémoire L’unité centrale : mémoire (suite)(suite)

Table image des sorties :Table image des sorties :(Résultats à envoyer aux sorties)(Résultats à envoyer aux sorties)

CPUQ 124.X

Q 125.X

Q 126.X

7 0

CartesSorties

Q 124Actionneur

Table image

Octets

Bits

55

CartesEntrées

I 124

L’unité centrale : mémoire L’unité centrale : mémoire (suite)(suite)

Connexion E/S entre l’API et l'automatisme pilotéConnexion E/S entre l’API et l'automatisme piloté

I 124.5 Q124.1

CPU

Capteur

I 124.X

7 0

Actionneur

7 0

Q 124.X

CartesSorties

Q 124

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L’unité centrale : chien de gardeL’unité centrale : chien de garde

Chien de garde (« watchdog »)Chien de garde (« watchdog ») : Surveille le CPU de façon à éviter les graves conséquences

d'un dérèglement de celui-ci Nécessaire puisque le CPU intervient dans 0.5 % des pannes La durée de l’exécution des tâches, en mode cyclique, est

contrôlée par le chien de garde et ne doit pas dépasser une valeur définie lors de la configuration de l’API. Dans le cas de débordement, l’application est déclarée en défaut, ce qui provoque l’arrêt immédiat de l’API.

À chaque cycle, le CPU doit réarmer le chien de garde, sinon… :– Mise à zéro de toutes les sorties– Arrêt de l'exécution du programme– Signalisation de la défaillance

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L’unité centrale : trait. L’unité centrale : trait. séquentielséquentiel

Remise à 0 du chien de garde

Écriture aux sorties

Lecture des entrées

Exécution du programme

temps

Opérateur appui sur bouton

Prise en compte Effet en sortie

Temps de scrutation

Temps de réponse

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Les cartes d’entrées logiquesLes cartes d’entrées logiques

RedresseurSignal CA

Signal CCProtection

contre l'inversion de tension

Mise en forme du signal

Entr

ée C

A

Sort

ie

redre

ssée

Diode

Entr

ée C

C

Sort

ie

pro

tégé

e

Diode

Résistance

t

t

VE

VS

1

0

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Les cartes d’entrées analogiquesLes cartes d’entrées analogiques

Conversion analogique – numériqueConversion analogique – numérique

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Les cartes d’entrées an. – Les cartes d’entrées an. – résolutionrésolution

Nombre de bits pour représenter le signal analogueNombre de bits pour représenter le signal analogue Système binaire (« bit », « Système binaire (« bit », « bibinary dignary digitit ») »)

1 bit = 21 = 2 états 2 bit = 22 = 4 états 3 bit = 23 = 8 états 8 bit = 28 = 256 états 12 bit = 212 = 4 096

états 16 bit = 216 = 56 536

états

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Les cartes d’entrées an. – résolution Les cartes d’entrées an. – résolution (…)(…)

Résolution = Résolution = plus petit changement de signal détectable Résolution Résolution plue petit signal RésolutionRésolution == (plus petit incrément)/(nombre d’incréments)

(ex. pour 8 bit, résolution = 1/256 = 0.39 %)

ExemplesExemples : Pour une entrée 0–100 mV à 8 bit

Plus petit changement = 0.39 mV Pour une entrée 0–100 mV à 12 bit

Plus petit changement = 0.0244 mV Pour une entrée 0–100 mV à 16 bit

Plus petit changement = 0.0015 mV

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Les cartes…– fréquence d’acquisitionLes cartes…– fréquence d’acquisition

Fréquence d'acquisition supérieure au signal d'entréeFréquence d'acquisition supérieure au signal d'entrée

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Les cartes… – fréquence d’acquisition Les cartes… – fréquence d’acquisition (…)(…)

Fréquence d'acquisition trop lente Fréquence d'acquisition trop lente signal faux signal faux (« aliasing »)(« aliasing »)

64

Les cartes… – fréquence d’acquisition Les cartes… – fréquence d’acquisition (…)(…)

Fréquence d'acquisition ≈ 2 fois la fréquence d'entrée Fréquence d'acquisition ≈ 2 fois la fréquence d'entrée (Nyquist)(Nyquist)

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Les modules PIDLes modules PID

Permet de réaliser des fonctions de régulation sans avoir recours au CPU

Certains automates ont un PID intégré dans le CPU(C’est le CPU qui se tape le calcul !)

Limitation importante au niveau de la période d ’échantillonnage des signaux analogiques:– Généralement : >100 ms

– Certain modèles ($$$) : >10 ms

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Les cartes de comptage rapideLes cartes de comptage rapide

S’adaptent à divers modèles de codeurs incrémentauxS’adaptent à divers modèles de codeurs incrémentaux S’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsionsS’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions

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Les cartes d’axesLes cartes d’axes

Pour le contrôle d’un ou de plusieurs moteurs– CA / CC / Pas-à-pas– Commande numérique intégrée

(Interpolation linéaire, circulaire)

Les moteurs ne peuvent pas être asservis avec les modules PID (Périodes d’échantillonnage plus courtes sont requises)

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Les cartes d’interruptionLes cartes d’interruption

Une interruption est une section de programme qui est exécutée immédiatement lors d’un événement déclencheur

Les entrées du module servent de déclencheur à ces interruptions