Automates Programmables Industriels (API)

Capteur de proximité inductif (TOR)

Ce type de capteur permet la détection sans contact direct d’objets métalliques.

Principe de fonctionnement

Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet il y a métallique pénètre dans ce champ , perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie : le capteur commute.

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs : Etudes de quelques capteurs

Capteur de proximité capacitif (TOR)

Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants sans contact direct. Ils sont très utilisés pour le contrôle de niveau dans les trémies.

Principe de fonctionnement

Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque la capacité de des oscillations en modifiant couplage du condensateur.

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs : Etudes de quelques capteurs

Capteur photoélectrique (TOR)

Les capteurs photoélectrique sont des détecteurs de proximité qui permettent la détection de tout objet opaque.

Principe de fonctionnement

Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande.

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs : Etudes de quelques capteurs Capteur photoélectrique (TOR) Il existe trois grands types de détection photoélectrique:

1- Système barrage: l'objet à détecter coupe un faisceau lumineux situé entre l'émetteur et le récepteur.

2- Système réflex: le faisceau émis par l'émetteur est renvoyé sur le récepteur par un réflecteur. La détection est réalisée lorsque la cible bloque le faisceau entre l'émetteur et le réflecteur.

3- Système proximité: le faisceau émis par le récepteur est renvoyé par la pièce à détecter sur le récepteur situé sur le même capteur.

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs : Etudes de quelques capteurs

Capteur fluidique de proximité (TOR)

Les capteurs fluidique sont des détecteurs de proximité qui permettent la détection des objets sans contact direct.

Principe de fonctionnement

Il est alimenté avec une pression de 100 à 300 mbar, en fonction de la distance de détection. Lorsqu'il n'y a pas de détection l'air s'échappe par l'orifice du capteur prévu à cet effet.

Lorsque l'objet à détecter passe devant le capteur, un signal de faible pression (0.5 à 2 mbar) passe par le conduit central du capteur et va jusqu'au relais amplificateur qui amplifie le signal à la pression industrielle (3 à 8 bars).

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs 2- Les capteurs analogiques: Un capteur analogique fournit une image électrique (tension 0- 10V ou courant 4-20mA) d’une grandeur physique évoluant d’une manière continue dans le temps, dans une gamme de variation donnée.

Capteur de température Sonde PT100

Capteur de niveau capteur ultrasonique

Etc …

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Composants d’un Système Automatisé

Partie Opérative : Capteurs

3- Les capteurs numériques (ou codeurs): Les codeurs transmettent des valeurs numériques précisant des positions à hautes fréquences. Ils permettent au système de traitement de maîtriser le positionnement d'un mobile avec une grande précision.

Codeur incrémental

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Exemple d’un Système Automatisé

Poste de forage automatisé

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30

Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Comptes rendus

Convertisseur de puissance

Ordres

Partie Opérative

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Partie Commande

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Moniteur

Capteurs

Convertisseur de puissance

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 In 1

Out1

Automate

1 2 3 4 5 6 7 In 2

Console

Actionneurs

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Architecture des automates

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,...) des microautomates. Il intègre le processeur, l'alimentation, les entrées et les sorties. Il peut recevoir des extensions en nombre limité.

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

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Architecture des automates

 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.

Carte mémoire

Alimentation

CPU

Signalisation d’état

Sélecteur de tension

Commutateur marche / arrêt

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Modules de signaux

API Siemens S7-312

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Structure des systèmes automatiques

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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 le type sous forme binaire ou bien hexadécimale. C'est d'information délivrée par un ordinateur ou un module intelligent.

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Architecture des automates

Structure interne

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Architecture des automates

Structure interne

 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 ...).

 Le bus interne : il permet la communication de l'ensemble des blocs de l'automate et des éventuelles extensions.

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Architecture des automates

Structure interne

 Interfaces d'entrées / sorties :

• Interface d'entrée : elle permet de recevoir les informations en provenance des éléments de détection (capteurs) ou du pupitre opérateur

• Interface de sortie : elle permet de commander les divers préactionneurs et éléments de signalisation du système automatisé

: Elles permettent de

 Mémoires système d'exploitation (ROM ou PROM), le programme (EEPROM) et les données système lors du fonctionnement (RAM).

stocker

le

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Mémoire

La zone mémoire va permettre :

• De recevoir les informations issues des capteurs d’entrées

• De recevoir les informations générées par le processeur et destinées à la commande des sorties (valeur des compteurs, des temporisations, …)

• De recevoir et conserver le programme du processus

Action Possible sur une mémoire:

– ECRIRE pour modifier le contenu d’un programme – EFFACER pour faire disparaître les informations qui ne sont

plus nécessaires

– LIRE pour lire le contenu d’un programme sans le modifier

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Mémoire

Technologie des mémoires :

• RAM (Random Acces Memory): mémoire vive dans laquelle

on peut lire, écrire et effacer (contient le programme)

• ROM (Read Only Memory): mémoire morte accessible

uniquement en lecture

• EPROM mémoires mortes reprogrammables effacement aux

rayons ultra-violets

• EEPROM mémoires mortes reprogrammables effacement

électrique

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Mémoire

La capacité mémoire d’un API se donne en 8 BITS (Binary Digits / octets) ou en Mots (16 BITS)

Exemple:

Soit une mémoire de :

4 Kmots=8 Koctets = 8 x 1024 x 8 = 65 536 BITS.

Cette mémoire peut contenir 65 536 informations binaires.

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Architecture Générale

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Entrées et Coupleur d’entrée

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Entrées et Coupleur d’entrée

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Entrées et Coupleur d’entrée

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Entrées et Coupleur d’entrée

Lors de la fermeture du capteur : • LED1 signal que l’entrée automate est actionnée • La LED D’ de optocoupleur s’éclaire • Le photo transistor T’ de l’optocoupleur devient passant • La tension Vs=0V capteur fermé M.A.SLIM

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Sorties et coupleur de sortie

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Sorties et coupleur de sortie

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Sorties et coupleur de sortie

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Sorties et coupleur de sortie

L’unité de commande envoie un 1 logique (5V) • T1 devient passant, donc D’ s’éclaire • Le photo transistor T’ de l’optocoupleur devient passant • LED 1 s’éclaire et nous informe de la commande de la sortie Q0,1 • T2 devient passant • La bobine RL1 devient sous tension et commande la fermeture du contact de la sortie Q0,1

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Principe de fonctionnement de l’API

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Durée de cycles de scrutation

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Durée de cycles de scrutation

Ordres de grandeur: •Instruction : nano => microsecondes •Scrutation : x * 10 millisecondes •Tâche prioritaire : x * millisecondes

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Scrutation et mémoire entrées

Problème: « L’apparition et la disparition des signaux délivrés par les capteurs les états des entrées ont lieu indépendamment de l’automate: peuvent « basculer » à tout instant

Principe:

• En début de scrutation, les états des entrées physiques vues par les coupleurs d'entrée/sortie sont mémorisés dans la mémoire image des entrées (MIE).

l’exécution du programme,

• Pendant toute instruction qui requiert l’état d’une entrée provoque en fait la lecture de l’image « figée » de cette entrée. Image = bit interne « %Ix.y»

• Les MIE sont rafraîchies en début de chaque nouvelle scrutation.

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Scrutation et mémoire entrées

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Scrutation et mémoire sorties

Problème: « L’assignation d’une sortie par le programme ne peut se faire

instantanément ».

Principe: • Chaque instruction du programme qui positionne une sortie, positionne en fait le bit interne («Qx.y») image de la sortie en question: sortie réelle non affectée.

• Les MIS sont rafraîchies au fur et à mesure de l’exécution du

programme.

• A la fin de la scrutation, les états des MIS sont transférés vers les sorties via les coupleurs, qui maintiennent ces sorties jusqu' ’à la fin du cycle suivant.

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Scrutation et mémoire sorties

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Temps de réaction

Instruction S1 := E1

E1

MIE1

MIS1

Sortie physique S1:

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Programmation

• Programmation en langage booléen

• Programmation en liste d’instructions

• Programmation en langage littéral structuré

• Programmation par blocs fonctionnels

• Programmation en Ladder diagram

• Programmation en grafcet

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Programmation en langage booléen

Le langage booléen de l’automate programmable dispose combinatoires généralement élémentaires :

fonctions

cinq

de

• ET logique entre une variable indiquée et le résultat

précédent

• OU logique entre une variable indiquée et le résultat

précédent ;

• LIRE l'état de la variable indiquée ; • RANGER le résultat dans la variable indiquée ; • NON qui s'utilise en combinaison des quatre opérations précédentes (inverser l'état de la variable sélectionnée)

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Programmation en liste d’instructions

Liste d'instructions (IL : Instruction List) : Langage textuel de même nature que l'assembleur (programmation des microcontrôleurs). Très peu utilisé par les automaticiens.

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Programmation en langage littéral structuré

Langage littéral structuré (ST : Structured Text) : Langage informatique de le même nature que les il Pascal, fonctions ... then ... else ... (si ... alors ... sinon ...) Peu automaticiens.

utilise comme if

utilisé

par

les

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Programmation par blocs fonctionnels

(FBD :

Blocs Fonctionnels 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 ou programmables. Utilisé par les automaticiens.

(bibliothèque)

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Programmation en Grafcet

Programmation à l'aide du GRAFCET (SFC : Sequential Function Chart) : elle permet une programmation aisée des systèmes séquentiels

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Programmation Ladder diagram

• Aussi appelé langage à contact ou diagramme en échelle.

• C’est la forme de programmation la plus utilisée pour les API.

• La programmation se fait à l'aide de programmes graphiques : les réseaux. Ce sont des schémas qui sont exécutés l'un après l'autre, de haut en bas (et non suivant leur label). Chaque réseau est scruté par colonne de gauche à droite.

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Structure d’un réseau Ladder

Entrées: Capteurs, contact, adresse …

Sortie : Actionneurs, compteurs , timer…

Scrutation De haut en bas et de gauche à droite

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Eléments du langage

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Eléments du langage

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Fonctions de base: Instructions de chargement

Instructions

Mise à 1 pendant un cycle d’automate

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Instruction d’affectation

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Instruction « ET »

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Mise à 1 pendant un cycle d’automate

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Instruction « OU »

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Instruction « ou exclusif » (XOR)

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Temporisateur

Mode : TON : tempo enclenchement TOF : tempo déclenchement Valeurs : %Tmi.V : valeur courante %Tmi.P : valeur de présélection (0 … 9999) Base de temps : TB Armement (IN) : sur front montant pour TON sur front descendant pour TOF

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Temporisateur

Mode TON retard à l’enclenchement:

Mode TOF retard au déclenchement:

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Compteurs

Valeurs : %Ci.V : valeur courante %Ci.P : valeur de présélection Armement (sur front montant) : CU : entrée comptage : incrémente %Ci.V CD : entrée décomptage : décrémente %Ci.V R : remise à zéro (si R=1, on force %Ci.V=0) S : Présélection (si S=1, %Ci.V= %Ci.P )

Sorties : D « done » passe à 1 qd %Ci.V= %Ci.P F : débordemment comptage (> 9999) E : débordement décomptage (<0)

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Exemple application pour compteur:

• Comptage d’un nombre de pièces=5000. • Chaque impulsion sur %I1.2 provoque l’incrémentation du compteur %C8 • A la fin du comptage, le moteur %Q2.0 est mis en route. • Le compteur est remis à zéro si %I1.1 = 1

Solution:

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Exercices

Etablir un programme automate en langage à contact pour gérer la commande Marche Arrêt du moteur M1. Liste des Entrées/Sortie Automate : - Marche_M1 : Bouton poussoir marche M1 avec contact NO - Arret_M1 : Bouton poussoir arrêt M1 avec contact NF - F1 : défaut thermique moteur M1 avec contact NF -KM1 : sortie Commande Contacteur Moteur M1

NB : pour les sorties API utiliser seulement des bobines directes -( )-

Etablir les deux types de mode de marche suivant : - Cas1 : Marche prioritaire (en cas d’appui simultané sur Marche_M1 & Arret_M1 le moteur démarre) - Cas2 : Arrêt prioritaire (en cas d’appui simultané sur Marche_M1 & Arret_M1 le moteur reste en Arrêt)

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Correction

Cas: Arrêt prioritaire

Cas: Marche prioritaire

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Nous ajoutons un deuxième moteur M2 qui sera commandé de la même façon que M1 via le même automate . Compléter le programme automate en langage à contact pour gérer la commande Marche - Arrêt du Moteur M2.

Liste des Entrées/Sortie Automate : Marche_M1 : Bouton poussoir marche M1 avec contact NO Arret_M1 : Bouton poussoir arrêt M1 avec contact NO F1 : défaut thermique moteur M1 avec contact NO KM1 : sortie Commande Contacteur Moteur M1

Mode de marche M1 « Arrêt prioritaire »

Marche_M2 : Bouton poussoir marche M2 avec contact NO Arret_M2 : Bouton poussoir arrêt M2 avec contact NO F2 : défaut thermique moteur M2 avec Contact NO KM2 : sortie Commande Contacteur Moteur M2

Mode de marche M2 « Marche prioritaire »

NB : Pour la commande des deux moteurs, utiliser des bobines avec maintien Mise à 1 et Mise à 0 ------(S)- /------ (R)-

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Correction

Cas: Arrêt prioritaire

Cas: Marche prioritaire

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Fin…

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