automates programmables industriels (api

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Automates Programmables Industriels (API)

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Cours Automatisme et Informatique Industrielle industriels

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Chapitre 4 Relais 92 Relais Dans les Hauts de Seine Du Studio au 2P, Prts Vivre !ResidenceCourcelle.com

Les Automates Programmables Industriels (API)

1- IntroductionLes Automates Programmables Industriels (API) sont apparus aux Etats-Unis vers 1969 o ils rpondaient aux dsirs des industries de lautomobile de dvelopper des chanes de fabrication automatises qui pourraient suivre lvolution des techniques et des modles fabriqus. Un Automate Programmable Industriel (API) est une machine lectronique programmable par un personnel non informaticien et destin piloter en ambiance industrielle et en temps rel des procds industriels. Un automate programmable est adaptable un maximum dapplication, dun point de vue traitement, composants, language. Cest pour cela quil est de construction modulaire. Il est en gnral manipul par un personnel lectromcanicien. Le dveloppement de lindustrie entraner une augmentation constante des fonctions lectroniques prsentes dans un automatisme cest pour a que lAPI sest substitu aux armoires relais en raison de sa souplesse dans la mise en uvre, mais aussi parce que dans les cots de cblage et de maintenance devenaient trop levs.

2- Pourquoi l'automatisation ?L'automatisation permet d'apporter des lments supplmentaires la valeur ajoute par le systme. Ces lments sont exprimables en termes d'objectifs par : Accrotre la productivit (rentabilit, comptitivit) du systme Amliorer la flexibilit de production ; Amliorer la qualit du produit Adaptation des contextes particuliers tel que les environnements hostiles pour l'homme (milieu toxique, dangeureux.. nuclaire...), adaptation des tches physiques ou intellectuelles pnibles pour l'homme (manipulation de lourdes charges, tches rptitives paralllises...), Augmenter la scurit, etc...

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Figure 4.1 : Automate SIEMENS S5-95U

3 Structure gnrale des API :Les caractristiques principales dun automate programmable industriel (API) sont : coffret, rack, baie ou cartes Compact ou modulaire Tension dalimentation Taille mmoire Sauvegarde (EPROM, EEPROM, pile, ) Nombre dentres / sorties Modules complmentaires (analogique, communication,..) Langage de programmation

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Figure 4.2 : Aspect extrieur d'un automate S7-200 CPU222 Des API en botier tanche sont utiliss pour les ambiances difficiles (temprature, poussire, risque de projection ...) supportant ainsi une large gamme de temprature, humidit ... Lenvironnement industriel se prsentent sous trois formes : environnement physique et mcanique (poussires, temprature, humidit, vibrations); pollution chimique ; perturbation lectrique. (parasites lectromagntiques)

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Figure 4.3 : Automate Modulaire

4- Structure interne d'un automate programmable industriel (API) :Les API comportent quatre principales parties (Figure 4.4) : Une unit de traitement (un processeur CPU); Une mmoire ; Des modules dentres-sorties ; Des interfaces dentres-sorties ; Une alimentation 230 V, 50/60 Hz (AC) - 24 V (DC). La structure interne dun automate programmable industriel (API) est assez voisine de celle dun systme informatique simple, L'unit centrale est le regroupement du processeur et de la mmoire centrale. Elle commande l'interprtation et l'excution des instructions programme. Les instructions sont effectues les unes aprs les autres, squences par une horloge. Deux types de mmoire cohabitent : - La mmoire Programme o est stock le langage de programmation. Elle est en gnral fige, c'est dire en lecture seulement. (ROM : mmoire morte) - La mmoire de donnes utilisable en lecture-criture pendant le fonctionnement cest la RAM (mmoire vive). Elle fait partie du systme entres-sorties. Elle fige les valeurs (0 ou 1) prsentes sur les lignes dentres, chaque prise en compte cyclique de celle-ci, elle mmorise les valeurs calcules placer sur les sorties.

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Figure 4.4 : Structure interne d'un automates programmables industriels (API)

5- Fonctionnement :L'automate programmable reoit les informations relatives l'tat du systme et puis commande les pr-actionneurs suivant le programme inscrit dans sa mmoire. Gnralement les automates programmables industriels ont un fonctionnement cyclique (Figure 4.5). Le microprocesseur ralise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de temporisation, de comptage, de calcul... Il est connect aux autres lments (mmoire et interface E/S) par des liaisons parallles appeles ' BUS ' qui vhiculent les informations sous forme binaire.. Lorsque le fonctionnement est dit synchrone par rapport aux entres et aux sorties, le cycle de traitement commence par la prise en compte des entres qui sont figes en mmoire pour tout le cycle.

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Figure 4.5 : Fonctionnement cyclique d'un API Le processeur excute alors le programme instruction par instruction en rangeant chaque fois les rsultats en mmoire. En fin de cycle les sorties sont affectes dun tat binaire, par mise en communication avec les mmoires correspondantes. Dans ce cas, le temps de rponse une variation dtat dune entre peut tre compris entre un ou deux temps de cycle (dure moyenne dun temps de cycle est de 5 15 ms Figure 4.6).

Figure 4.6 : Temps de scrutation vs Temps de rponse Il existe dautres modes de fonctionnement, moins courants : synchrone par rapport aux entres seulement ; asynchrone.

6 Description des lments d'un API :6.1- La mmoire : Elle est conue pour recevoir, grer, stocker des informations issues des diffrents

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secteurs du systme que sont le terminal de programmation (PC ou console) et le processeur, qui lui gre et excute le programme. Elle reoit galement des informations en provenance des capteurs.

Figure 4.7 : La mmoire Il existe dans les automates deux types de mmoires qui remplissent des fonctions diffrentes : - La mmoire Langage o est stock le langage de programmation. Elle est en gnral fige, c'est dire en lecture seulement. (ROM : mmoire morte) - La mmoire Travail utilisable en lecture-criture pendant le fonctionnement cest la RAM (mmoire vive). Elle sefface automatiquement larrt de lautomate (ncessite une batterie de sauvegarde). Rpartition des zones mmoires : Table image des entres Table image des sorties Mmoire des bits internes Mmoire programme dapplication 6.2- Le processeur : Son rle consiste dune part organiser les diffrentes relations entre la zone mmoire et les interfaces dentres et de sorties et dautre part excuter les instructions du programme. 6.3- Les interfaces et les cartes dEntres / Sorties: Linterface dentre comporte des adresses dentre. Chaque capteur est reli une de ces adresses. Linterface de sortie comporte de la mme faon des adresses de sortie. Chaque practionneur est reli une de ces adresses. Le nombre de ces entres est sorties varie suivant le type dautomate. Les cartes dE/S ont une modularite de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalises (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...).

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Figure 4.8 : Les interfaces d'entres/sorties 6.3.1- Cartes dentres : Elles sont destines recevoir linformation en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en liminant les parasites et en isolant lectriquement lunit de commande de la partie oprative.

Figure 4.9: Exemple dune carte dentres typique dun API 6.3.1- Cartes de sorties: Elles sont destines commander les pr-actionneurs et lments des signalisations du systme et adapter les niveaux de tensions de lunit de commande celle de la partie oprative du systme en garantissant une isolation galvanique entre ces dernires

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Figure 4.10: Exemple dune carte de sortie typique dun API 6.4- Exemple de cartes: - Cartes de comptage rapide : elles permettent d'acqurir des informations de frquences leves incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. (signal issu d'un codeur de position) - Cartes de commande d'axe : Elles permettent d'assurer le positionnement avec prcision d'lment mcanique 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 tre ralis en boucle ferme. - Cartes d'entres / sorties analogiques : Elles permettent de raliser l'acquisition d'un signal analogique et sa conversion numrique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est galement ralise. Les grandeurs analogique sont normalises : 0-10V ou 4-20mA. - Cartes de rgulation PID - Cartes de pesage - Cartes de communication (RS485, Ethernet ...) - Cartes d'entres / sorties dportes 6.5- L'alimentation lectrique : Tous les automates actuels sont quips d'une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entres sont en 24 V DC et une mise la terre doit galement tre prvue.

7- Jeu d'instructions :Le processeur peut excuter un certain nombre doprations logiques; lensemble des instructions boolennes des instructions complmentaires de gestion de programme (saut, mmorisation, adressage ...) constitue un jeu dinstructions. Chaque automate possde son propre jeux dinstructions. Mais par contre, les constructeurs proposent tous une interface logicielle de programmation rpondant la norme CEI1131-3. Cette norme dfinit cinq langages de programmation utilisables, qui sont : Les langages graphiques : LD : Ladder Diagram ( Diagrammes chelle ) FBD : Function Block Diagram ( Logigrammes ) SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet) Les langages textuels :

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IL : Instruction List (Liste dinstructions). ST : Structured Text (Texte structur). Le langage relais (Ladder Diagram) est bas sur un symbolisme trs proche de celui utilis pour les schmas de cblage classiques. Les symboles les plus utiliss sont donns au tableau suivant :

Figure 4.11: Symboles usuels en langages LD

8- Scurit :Les systmes automatiss sont, par nature, source de nombreux dangers (tensions utilises, dplacements mcaniques, jets de matire sous pression ...). Plac au coeur du systme automatis, l'automate se doit d'tre un lment fiable car un dysfonctionnement de celui-ci pourrait avoir de graves rpercussions sur la scurit des personnes, de plus les cots de rparation et un arrt de la production peuvent avoir de lourdes consquences sur le plan financier. Aussi, l'automate fait l'objet de nombreuses dispositions pour assurer la scurit : - Contraintes extrieures : l'automate est conu pour supporter les diffrentes contraintes du monde industriel et fait l'objet de nombreux tests normaliss. - Coupures d'alimentation : l'automate est conu pour supporter les coupures d'alimentation et permet, par programme, d'assurer un fonctionnement correct lors de la ralimentation (reprises froid ou chaud) - Mode RUN/STOP : Seul un technicien peut mettre en marche ou arrter un automate et la remise en marche se fait par une procdure d'initialisation (programme) - Contrles cycliques : Procdures d'autocontrle des mmoires, de l'horloges, de la batterie, de la tensions d'alimentation et des entres / sorties Vrification du temps de scrutation chaque cycle appele Watchdog (chien de garde), et enclenchement d'une procdure d'alarme en cas de dpassement de celui-ci (rgl par l'utilisateur) - Visualisation : Les automates offrent un cran de visualisation o l'on peut voir l'volution des entres / sorties Les normes interdisent la gestion des arrts d'urgence par l'automate ; celle-ci doit tre ralise en technologie cble.

8- Rseaux d'automates8.1- Principe Avec le dveloppement des systmes automatiss et de l'lectronique, la recherche de la baisse des cots et la ncessit actuelle de pouvoir grer au mieux la production et a partir

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du moment o tous les quipements sont de type informatique, il devient intressant de les interconnecter un mini-ordinateur ou un automate de supervision (Figure 4.12).

Figure 4.12: Exemple d'une structure de contrle et gestion de production

L'interconnexion entre deux automates peut tre ralise trs simplement en reliant une ou plusieurs sorties d'un automate des entres de l'autre et vice-versa (Figure 4.13).

Figure 4.13: Interconnexion simple (Entres/Sorties) entre deux automates (API)

Cette mthode ne permet pas de transfrer directement des variables internes d'un automate sur l'autre, de sorte que celles-ci doivent tre converties par programme en variables de sortie avant leur transfert. Elle devient coteuse en nombre dentres/sorties mobilis pour cet usage et lourde du point de vue du cblage, lorsque le nombre de variables qui doivent tre changes devient important. 8.2- Bus de terrain11 sur 19 28/11/2011 18:11

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Pour diminuer les cots de cblage des entres / sorties des automates, sont apparus les bus de terrains. L'utilisation de blocs d'entres / sorties dports permis tout d'abord de rpondre cette exigence. Les interfaces d'entres/sorties sont dportes au plus prs des capteurs. Avec le dveloppement technologique, les capteurs, dtecteurs ... sont devenus intelligents" et ont permis de se connecter directement un bus.

Figure 4.14: Interconnexion par entres/sorties dportes Plusieurs protocoles de communication et des standards sont apparus pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs / practionneurs apr exemple le bus ASi (Actuators Sensors interface) est un bus de capteurs/actionneurs de type Matre / Esclave qui permet de raccorder 31 esclaves (capteurs ou practionneurs) sur un cble spcifique (deux fils) transportant les donnes et la puissance. Ce bus est totalement standardis et permet d'utiliser des technologies de plusieurs constructeurs Avantages des bus de terrain : Rduction des cots de cblage et possibilit de rutiliser le matriel existant Rduction des cots de maintenance Inconvnients des bus de terrain : Taille du rseau limite Latence dans les applications temps critique Cot global 8.3- Diffrents types de rseaux d'automates : 8.3.1- Rseau en toile : Un centre de traitement commun change avec chacune des autres stations. Deux stations ne peuvent pas changer directement entre elles (Figure 4.15). Exemple le rseau de terrain BITBUS de la socit INTEL Avantages : Grande vitesse d'change. Diffrent types de supports de transmission. Pas de gestion d'accs au support. Inconvnients :

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Cot global lev. Evolutions limites. Tout repose sur la station centrale.

Figure 4.15: Interconnexion par entres/sorties dportes 8.3.2- Rseau en anneau : Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution est intressante lorsqu'une station doit recevoir des informations de la station prcdente ou en transmettre vers la suivante (Figure 4.16).

Figure 4.16: Topologie Anneau Avantages : Signal rgnr donc fiable. Contrle facile des changes (le message revient l'metteur). Inconvnients : Chaque station est bloquante. Une extension interrompe momentanment le rseau. 8.3.3- Rseau hirarchis : C'est la forme de rseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d'utilisation, les informations pouvant circuler entre-stations d'un mme niveau ou circuler de la station la plus volue (en gnral un calculateur) vers la plus simple, et rciproquement (Figure 4.17).

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Figure 4.17: Rseau hirarchis

9- Critres de choix d'un automateLe choix d'un automate programmable est gnralement bas sur : - Nombre d'entres / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks ds que le nombre d'entres / sorties ncessaires devient lev. - Type de processeur : la taille mmoire, la vitesse de traitement et les fonctions spciales offertes par le processeur permettront le choix dans la gamme souvent trs tendue. - Fonctions ou modules spciaux : certaines cartes (commande d'axe, pesage ...) permettront de "soulager" le processeur et devront offrir les caractristiques souhaites (rsolution, ...). - Fonctions de communication : l'automate doit pouvoir communiquer avec les autres systmes de commande (API, supervision ...) et offrir des possibilits de communication avec des standards normaliss (Profibus ...).

10- Mise en uvre et diagnostic dun API :10.1: Vrification du fonctionnement Lors de sa premire mise en uvre il faut raliser la mise au point du systme. Prendre connaissance du systme (dossier technique, des GRAFCETS et du GEMMA, affectation des entres / sorties, Les schmas de commande et de puissance des entres et des sorties). Lancer l'excution du programme (RUN ou MARCHE) Visualiser l'tat des GRAFCET, des variables... Il existe deux faons de vrifier le fonctionnement : En simulation (sans Partie Oprative). En condition relle (avec Partie Oprative).

Simulation sans Partie oprative

Simulation avec Partie oprative (Conditions relles)

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Le fonctionnement sera vrifi en simulant le comportement de la Partie Oprative, cest dire ltat des capteurs, en validant uniquement des entres. - Valider les entres correspondant ltat initial (position) de la Partie Oprative. - Valider les entres correspondant aux conditions demarche du cycle. - Vrifier lvolution des grafcets (tapes actives). - Vrifier les ordres mis (Leds de sorties). - Modifier ltat des entres en fonction des ordres mis (tat transitoire de la P.O.). - Modifier ltat des entres en fonction des ordres mis (tat final de la P.O.). Toutes les volutions du GEMMA et des grafcets doivent tre vrifies.

Le fonctionnement sera vrifi en suivant le comportement de la P.O. - Positionner la P.O. dans sa position initiale. - Valider les conditions de marche du cycle. - Vrifier lvolution des grafcets et le comportement de la P.O. Toutes les volutions du GEMMA et des grafcets doivent tre vrifies.

10.2 : Recherche des dysfonctionnements Un dysfonctionnement peut avoir pour origine : Un composant mcanique dfaillant (practionneur, actionneur, dtecteur,...). Un cblage incorrect ou dfaillant (entres, sorties). Un composant lectrique ou lectronique dfectueux (interface d'entre ou de sortie). Une erreur de programmation (affectation d'entres-sorties, ou d'criture). Un systme non initialis (tape, conditions initiales...). ........ Mthode de recherche de pannes:

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Figure 4.17: Mthode de recherche de pannes et Diagnostic d'un API Mthode de vrification du cblage d'une entre masse commune :

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Cette vrification se ralise l'aide d'un voltmtreohmtre et d'un shunt (morceau de fil lectrique).

- Vrifier lalimentation des entres laide dun voltmtre. - Pour vrifier le capteur et son cblage, tester aux diffrents points indiques, contact du capteur ouvert, contact du capteur ferm. - Pour vrifier l'interface d'entre court-circuiter le capteur par un shunt, le voyant d'entre doit s'allumer.

11- Principaux automates programmables industriels :

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La programmation de ces automates se fait soit partir de leur propre console, soit partir du logiciel de programmation propre la marque. OMRON : CQM1 CPU 11/21/41 E - 192 Entres/Sorties ( relais, triac, transistors ou TTL) ; 32 K RAM data on Board ; structure multifonction ; structuration multitche ; SYSWIN 3.1, 3.2 3.4 et CX_Programmer (Littral, Ladder) ; comunication sur RS 232 C ; programmation sur IBM PC/PS. TELEMECANIQUE : TSX 17/20 : Nombre d'entres et de sorties variable : 20 160 E/S. microprocesseur 8031. langage de programmation PL7.2. TSX 67.20 : La compacit d'un automate haut de gamme, E/S dportables par fibre optique: 1024 E/S en six bacs de huit modules; extension de bacs distance par fibre optique 2000 m; 16 coupleurs intelligents; 24 K RAM data on Board; 32 K RAM / EPROM cartouche utilisateur; structure multifonctions; structuration multitche; langage PL7.3 (Grafcet, Littral, Ladder); programmation sur IBM PC/PS. FESTO : Architecture modulaire : carte de base; carte processeur; carte de mmorisation; carte E/S. FPC 202 : 16 entres 24 V DC; 16 sorties 24 V DC - 1 A; 8 K RAM, 8 K EPROM; interface srie, 20 mA boucle de courant pour imprimante; console de programmation externe : console ou IBM PC; programmation : grafcet, langage Festo, schma relais. SIEMENS: S7 200. 64 entres 24 V DC; 64 sorties 24 V DC - 1 A ; 8 Entres anlogiques AEW0 AEW14 ; - 8 Sorties anlogiques AAW0 AAW6 ; - interface srie, console de programmation externe : PG 702; programmation STEP7: schma relais , Ladder.

12 - Ressources et rfrences :Etude des automates programmables industriels (API) Mr ROIZOT Sbastien (BAC STI GE) Automates programmables industriels Mr Philippe LE BRUN (Dcembre 1999) Les Automates Programmables Mr H Jean-Louis (18/12/2002)

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LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS Mr Alain GONZAGA (7/11/2004) Automates Programmables Industriels Mr L. BERGOUGNOUX (POLYTECH Marseille 2004-2005)

Tags: cours, automates programmables industriels, API, automate, programmable, architecture, informatique industrielle, structure automate, cartes, entres, Sorties Rvis le :01-11-2011 | 2007-2011 www.technologuepro.com

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