systèmes numériques de contrôle - commande pour la...

Systèmesnumériquesdecontrôle-commandepourlamécatronique

INSAStrasbourgspécialitéMécatroniqueInformatiqueIndustrielle

LaurentBarbé,LaboratoireICube

InformatiqueIndustrielle 1

• LaurentBarbé,ingénieurderechercheauLaboratoireICube.Ingénieurenconceptionducontrôle-commandepourlessystèmesrobotiques• 4séancesCours/TD(1h30):7/10,14/10,21/10et4/11• 5séancesSuiviProjet(3h):

• 2groupes:• Groupe1:étudiantsmaster14/1128/1105/1212/12(MetAM)• Groupe2:étudiantsnonmaster16/1130/1107/12(MetAM)14/12

• Prérequis:• Notionsdebaseenrobotique:MGD,MGI,MCD• UtilisateurLabViewetoutilsNationalInstrument• ProgrammationenC• Notionsdelogiquecombinatoire• Baseenautomatiqueetsynthèsedecorrecteur

Avant-propos


• Comprendrelesconceptsdebasedel’informatiqueindustrielle• Architecturematérielle• Busdecommunication• Interactionaveclespériphériques

• Utilisationdanslecadred’unsystèmemécatroniquesimple• Contrôle/commandesurunsystèmepolyarticulé• Implémentationdeloidecommande• Commandedessystèmesrobotiques

Objectifs


1. Evolutiondesbesoinsdansl’industrie2. Présentationdessystèmesnumériquesdecontrôle-commande3. Lessystèmesinformatiquestemps-réel4. Chaînedecontrôled’unsystèmerobotique5. Miseenœuvresurunexempleetprésentationduprojet

Plan


L’informatiquedansl’évolutionindustrielle


1ière 2nd 3ième 4ième

MécanisationMachineàvapeur,

Energiehydrauliqueetfossile

ElectrificationProductionenmasse,EnergieElectriqueLigned’assemblage

AutomatisationRobotique,

Electronique,Automate

CyberSystèmesInternetIndustriel,Réseaux,Production

personnalisée

1800 1900 2000 2016

DEGREDECOMPLEXITEETD’INTEGRATION

InformatiqueAutomatique Internet

Audébutdusiècle....


…aujourd’hui


Exempled’applications:automobile…

InformatiqueIndustrielle 8Sourcehttp://www.lembarque.com

Exempled’applications:robotiqueIndustrielle


1949:TMEGoertz1954:TMEGoertz1959:Unimate1973:KUKA6-DDL1974:T3TheTomorrow Tool

1949 1954 1959 1973 1974 1978

1978:ProgrammableUniversalMachineforAssembly (PUMA)

1981:Premierrobotcommandéendirectdrive

1981

1984:PremierrobotSCARA

1984

Automatique Informatique

1992:PremierrobotDelta

1992

Multiplicationdesapplications

2006:LWRKUKA

2006

Robotiquepersonnelleet

ludique

2014

1à1,3millionsderobotstravaillentdanslesusinesdanslemonde

…autresapplications


Systèmesnumériquesdecontrôle-commandeInformatiqueIndustrielle 11

Qu’est-cequec’est?


Un système numérique de contrôle-commande (SNCC, ou DCS pour Distributed ControlSystem) est une structure programmable utilisée pour le pilotage d'un procédé industriel. UnSNCC est doté d'une interface homme-machine pour la supervision et d'un réseau decommunication numérique pour l'interface avec les différents éléments de sonenvironnement tels que, par exemple, les capteurs ou les autres cartes de commandeassociées à des sous-systèmes.

Définition:Rôled'unsystèmedecommande

CapteursSystèmesnumériques

ActionneursCompteurs

Systèmedecontrôle-commande


Systèmedecontrôle-commandeProcédéexterne

Entrées

Sorties

Systèmeinformatique

Un système de contrôle-commande reçoit des informations sur l’état duprocédé externe, traite ces données et, en fonction du résultat, évalue unedécision qui agit sur cet environnement extérieur afin d’assurer un état stable

SystèmesTempsréeldecontrôle-commande,F.CottetetE.Grolleau,DUNODEdition

Systèmedecontrôle-commande

Procédéexterneàpiloter

Capteurs

Actionneurs

Mesuresinterruptions

Commandesinterruptions

Lematérield’unSNCCInformatiqueIndustrielle 14

Processeur


Processeur(UnitéCentraledeTraitement– CPUCentralProcessing Unit)

Unitéded’Entrées/Sorties

Clavier/SourisEcran

InformationsCodéesenbinaires

Horloge

Processeur MémoirePrincipale

Programme

Données

Unitédecommande

Unitédetraitement(U.A.L)

Codesinstructions

Donnéesbinaires

ProcesseurDécodeur Registre

Instruction

Séquenceur Compteurordinal

RegistresGénéraux

U.A.L

Busdedonnées

Busd’adresse

RAM

Processeur


Exécutiondesinstructionsparunprocesseur• Développerà unprogrammequ’ilacompilé• Leprogrammeestsousformed’instructionsmachineetaumomentdel’exécution

lesinstructionsetlesdonnéessontchargésenmémoirecentrale.• Lecompteurordinalestchargéavecl’adresseenMémoirecentraledumot

contenantlapremièreinstructionduprogramme.• L’exécutionduprogrammesefaitinstructionparinstruction,souslepilotagede

l’unitédecommandeduprocesseur.• Letraitementd’uneinstructionparleprocesseursedécoupeentroisétapes:• FETCH:l’instructionestlueenmémoirecentraleetcopiéedansleregistre

d’instructionduprocesseur;• DECODAGE:l’instructionestreconnueparl’unitédedécodage• EXECUTION:l’opérationcorrespondantàl’instructionestréalisée

Processeur


Fonctionnement(exemplesurprocesseurtypePENTIUM)

Si i > j alors i:= i-1Sinon i := i+5Fin si

A1 E4 A6 40 00 8B 0D E0 A6 40 00 83 C4 103B C17E 0348EB 03

Programmeenlangagehautniveau(indépendantdelamachine) CodeMachine

Compilationmov eax,dword ptrmov ecx,dword ptradd esp,10hcmp eax,ecxjle 401033hdec eaxjmp 401036hadd eax,5mov dword ptr

Programmeenlangageassembleur(dépandant delamachine)

Compteurordinalexécutelaportiondeprogrammeàl’adresse

0x0040101E

A1E4A64000CODOPspécifiqueàlamachine

Instruction

Processeur


Fonctionnement(exemplesurprocesseurtypePENTIUM)

Si i > j alors i:= i-1Sinon i := i+5Fin si

A1 E4 A6 40 00 8B 0D E0 A6 40 00 83 C4 103B C17E 0348EB 03

Programmeenlangagehautniveau(indépendantdelamachine) CodeMachine

Compilationmov eax,dword ptrmov ecx,dword ptradd esp,10hcmp eax,ecxjle 401033hdec eaxjmp 401036hadd eax,5mov dword ptr

Programmeenlangageassembleur(dépandant delamachine)


0x00401023


0x00401029


0x0040102C


0x0040102E

Processeur


Fonctionnement(Notionscomplémentaires)• DeuxgrandesfamillesCISC(Complex InstructionSetComputer)ouRISC(Reduced

InstructionSetComputer)• AlgèbredeBoole(1815-1864):• Algèbrepermettantderéaliserdesopérationsbooléennessurdesbinaires(Vrai

ouFaux)• AND,OR,XORNOT,NAND,NOR,EGALIDENTITEetc.

• Représentationdel’information• Binaireà Octaleà hexadécimale• Nombreentierspositifs(surbase8bits(char)16bits(int)32bits(long))

• Opérationsarithmétiquesetlogiques• CodeASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)• Nombreàvirgulesflottantes(co-processeur dédié)

Microcontrôleur


CircuitimpriméquiIntègreunmaximumdefonctionnalitéspourfaciliterlamiseenœuvre.

MicrocontrôleurAVR32bits

Microcontrôleur


Avantages

CoutréduitEncombrementmoindreFiabilitéMiseenœuvreplussimpleConsommationplusfaible

Attention

NepasconfondrePCetmicrocontrôleur

Cartededéveloppementetd’interfaçageavecl’environnementextérieur

Nano-ordinateur


Raspberry Pi- ProcesseurARMArchitectures

matériellesRISC32bits- Systèmed’exploitationLINUX- NombreusesEntrées-Sorties

Arduino- MicrocontrôleurAtmel AVR- Programmationmultiplateforme- NombreusesEntrées-Sorties

ENEVOLUTIONCONSTANTE

Lesentrées/sorties


CommunicationProcesseurEntrées/Sorties

• Deuxpossibilitéspourleprocesseur:1. Attenteactiveoupolling

• Leprocesseurvérifieenpermanencecequiarrivesuruneentrée,sanssavoirsilesdonnéessontintéressantes.

• Lorsqueleprocesseurreçoitlesdonnées,ileffectueletraitementetretourneenattenteactive.

• Leprocesseuresttoujours« busy »2. Interruptions

• Quandlesystèmeexterneestprêtetqu’ilabesoinduprocesseur,ill’informeparunsignald’interruption

• Selonlaprioritédelatâche,leprocesseurarrêtel’exécutioncourante

Lesentrées/sorties


Attenteactive(Polling)

Tant que (1)Etat du périphériqueSi état == vrai

Exécution routineFin SiExécution_normale

Fin tant que

Interruption

Exécution_

norm

ale

SignalInterruption

Exécutionroutineinterruption

Instructionk

Instructionk+1

INTERRUPTIONSLOGICIELLESPEUVENTETREBLOQUANTES

CommunicationProcesseuraveclesentrées/Sorties

Busd’entrées/Sorties


ProcesseurNorthbridge(contrôleurmémoire)

Générateurd’horloge

Southbridge(contrôleur

d’entrées/sorties)

IDE

SATA

USB

Ethe

rnet

Mém

oire

CMOS

Contrôleurgraphiqueintégré

PortSérie

PortParallèle

Lecteu

rCarte

Clavier

Souris

SuperI/O

ROMflash(BIOS)

Slotsmémoires

Bus

mém

oire

Businterne

Câblesetports

externes

Bus

PCI

Bus

PCI

SlotsPCI

SlotsAGPouPICe

Bus

AGPPC

Ie

SourceWikipédia

Chipset

Lesbusd’entrées/Sorties


ClassificationISA/EISA Industry StandardArchitecture 8Mo/s

PCI Peripheral ComponentInterconnect (1990) 264Mo/s

AGP Advanced Graphic Port 2,1Go/s

ATA/IDE AdvancedTechnology Attachment/IntegratedDriveElectronics 133Mo/s

SCSI SmallComputerSystemInterface 320Mo/s

PCIe Peripheral ComponentInterconnect Express 8Go/s

SATA Advanced Graphic Port 600Mo/s

SCSIsérie SmallComputerSystemInterface

BUSINTERNEPARALLELE

BUSINTERNESERIE

USB UniversalSerialBus 1,2Go/s(3.1)

IEEE1394 Firewire 400Mo/s

Ethernet >10Go/s

BUSEXTERNE

Lestypesdesignaux


BusDonnées

CapteurdetempératureA

4-20mACapteurdeposition(potentiomètre)

A-10/+10V

CapteurdepressionA

0/5V

ENTREESANALOGIQUESReprésententlavariationd’unegrandeurphysiqueentensionélectrique

C.A.N.

Pré-conditionnement

Codage QuantificationEchantillonn

agetemporel

Lestypesdesignaux


BusDonnées

4-20mA

-10/+10V

SORTIESANALOGIQUESReprésententlavariationd’unegrandeurphysiqueentensionélectrique

C.N.A

A

A

Servovanne

Moteur

Lestypesdesignaux


BusDonnées

ENTREESNUMERIQUESSignalquivariedefaçondiscrètedansletemps.C’estunesuccessiond’étathautoud’étatbas

Codeurincrémental

24VToutOuRien(TOR)

Lestypesdesignaux


BusDonnées

SORTIESNUMERIQUESSignalquivariedefaçondiscrètedansletemps.C’estunesuccessiond’étathautoud’étatbas

0V

5V

Lestypesdesignaux


BusDonnées

Capteurdetempérature

Capteurdeposition(potentiomètre)

A

A ContrôleurDigitalMoteurC.C+Puissance

Position

ContrôleurDigitalMoteurC.C+Puissance

Position

ContrôleurDigitalMoteurC.C+Puissance

Position

Atelier1

Atelier2

Atelier3

SupervisionBUSDETERRAIN

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