LES AUTOMATISMES
INDUSTRIELS
Cours et Travaux dirig s
fonctionnellement un
D crire
syst me automatis de
le choix dune technologie de
production(SAP) ;
commande ; Analyser un syst me de production ; Programmer
un API.
Faire
BEN HAMMED SOFIENE
01/02/2015
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LES AUTOMATISMES INDUSTRIELS
Licence appliqu e en g nie lectrique et g nie m canique
Pr par par : BEN HAMMED SOFIENE Version f vrier 2015
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SOMMAIRE
CHAPITRE 1 : LES AUTOMATES PROGRAMMABLE INDUSTRIELS ......................................................... 4
I- Structure des syst mes automatis s : ................................................................................. 4
II- Architecture mat rielle des API .......................................................................................... 6
II-1 Description g n rale : ....................................................................................................... 6
II-2 cartes dentr es TOR : ....................................................................................................... 8
II-3 cartes de sorties TOR : ....................................................................................................... 9
II-4 Cartes dentr es/sorties analogiques : .......................................................................... 10
II-5 Cartes dentr es/sorties complexes : ............................................................................. 12
III-6 Crit res de choix dun API :&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.15
CHAPITRE 2 : LES ACTIONNEURS ET LES CAPTEURS ..............................................................................16
I- Principales caract ristiques des actionneurs : ............................................................... 16
I-1 Commande dun Moteur courant continu aimant permanant par API .............. 16
I-2 Commande dun MCA en un seul sens de rotation par API ........................................ 17
I-3 Commande dun MCA en deux sens de rotation par API ........................................... 18
I-4 Commande dun variateur de vitesse par API .............................................................. 19
I-5 Commande des v rins doubles effets ........................................................................ 21
II- Principales caract ristiques des capteurs : .................................................................... 22
II-1 Diff rents types de capteurs TOR : ................................................................................. 23
II-2 Diff rents types de capteurs analogiques :................................................................... 27
II-3 Diff rents types de capteurs num riques : .................................................................... 30
CHAPITRE 3 : LE GRAFCET ........................................................................................................................33
I- conventions et r gles : ...................................................................................................... 33
I-1 Principe de base............................................................................................................... 33
I-2 Actions associ es l tape :........................................................................................... 34
I-3 transition : .......................................................................................................................... 34
I.4 Liaisons orient es .............................................................................................................. 34
I.5 Les r gles d volution ...................................................................................................... 35
II- Notions de s quence: ....................................................................................................... 37
II-1 actions aux ETAPES : ........................................................................................................ 37
Exemple : ................................................................................................................................ 39
II-2 s lection de s quences : ................................................................................................ 41
II-3 s quences simultan es : ................................................................................................. 42
II-4 extension des repr sentations (Macro- tapes) : .......................................................... 43
Exemple : ................................................................................................................................ 44
CHAPITRE 4 : LA PROGRAMMATION DES API ......................................................................................48
I- Mise en quations des GRAFCET: ..................................................................................... 48
I-1 M moire d tape : ........................................................................................................... 48
I-2 Initialisation de la s quence : .......................................................................................... 50
II- Langages de programmation des API:............................................................................ 51
II-1 Le langage LADER (LD) : ................................................................................................. 51
II-2 Adressage des entr es/sorties ........................................................................................ 52
Exemple: ................................................................................................................................ 53
TRAVAUX DIRIGES&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 60
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Chapitre 1
CHAPITRE 1: LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS
Dans le domaine de l'automatisation de processus industriels, l volution des
techniques de contr le/commande sest traduite par :
un d veloppement massif,
une approche de plus en plus globale des probl mes,
une int gration d s la conception de linstallation.
On est ainsi pass du stade de la machine automatis e celui du syst me automatis
de production
I-
Structure des syst mes automatis s de production (SAP) :
Tout syst me automatis comporte :
IHM
Partie commande
Capteurs
Pr -actionneurs
Partie op rative
Figure 1 : Structure dun syst me automatis
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Chapitre 1
Une partie op rative (P.O) proc dant au traitement des mati res dSuvre afin
d' laborer la valeur ajout e ; cest la partie m canique du syst me qui
effectue les op rations. Elle est constitu e dactionneurs tels que v rins,
moteurs& utilisant de l nergie lectrique, pneumatique, hydraulique...
Publicité
Une partie interface (P.I) : est la partie se trouvant entre les deux faces PO et PC
Traduisant les ordres et les informations.
Une partie commande (P.C.) coordonnant la succession des actions sur la Partie
Op rative avec la finalit d'obtenir cette valeur ajout e.
La structure simplifi e dun ensemble automatis peut se d composer en trois parties
essentielles :
les entr es Tout Ou Rien (TOR), parfois analogiques, destin es fournir des
informations sur l tat du processus : fin de course, d tecteur de niveau, pressostat,
thermostat, ect,
lautomate qui traite les diff rentes informations dentr e afin d laborer les ordres,
les sorties transmettant
les ordres labor s par
lautomate, aux diff rents
actionneurs ou pr - actionneurs : voyants, distributeurs de v rins, contacteurs de
moteur,&&
Capteurs
Actionneurs
PROCESSUS
ENTREES
AUTOMATE
SORTIES
Op rateur
Figure 2 : principe de lecture et commande de lAPI
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Chapitre 1
Selon sa complexit , la r alisation de la partie commande (PC) fait appel diverses
technologies dont les plus couramment utilis es sont :
les relais lectrom caniques
les relais statiques lectroniques
les relais pneumatiques
LOGIQUE CABLEE
lautomate programmable
les cartes lectroniques base dun microcontr leur
LOGIQUE PRGRAMMEE
A partir dune certaine, complexit , les relais lectrom caniques et les relais statiques
deviennent lourds mettre en Suvre et le cout de lautomatisation est difficile estimer.
Lautomate programmable vite de faire appel lordinateur qui, lui a souvent des
performances trop lev es pour le probl me r soudre et demande un personnel
sp cialis .
Particuli rement bien adapt s aux probl mes de commande s quentielle et dacquisition
des donn es, les API autorisent la r alisation ais e dautomatismes comprenant de
quelques dizaines jusqu plusieurs milliers dentr es/sorties.
II- Architecture mat rielle des API
II-1 Description g n rale :
Un automate programmable industriel se pr sente sous la forme dun ou plusieurs profil s
supports (racks) dans lesquels viennent senficher les diff rents modules fonctionnels :
lalimentation 110/220 VCA ou 24 VCC
Lunit centrale de trainement base de microprocesseur,
Des cartes dentr es/sorties logiques (TOR),
Des cartes dentr es/sorties analogiques (ANA),
Des cartes de comptage rapide,
Des cartes de communication (CP),
Des cartes sp cifiques pour : r seaux, asservissement, r gulation commande daxe&.
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Chapitre 1
Chaque module dentr e/sortie comporte un bornier de raccordement et un ensemble
des LEDs visualisation de l tat logique de chaque voie.
230V AC
Alimentation CPU DI
DO
AI
AO CP
24V DC
Figure 3 : principe de lecture et commande de lAPI
Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration adapt e aux
besoins de lutilisateur ainsi quun diagnostic et une maintenance facilit s.
II-2 cartes dentr es TOR :
Chaque carte comporte g n ralement 8, 16, 32 entr es logiques et peut
correspondre au sch ma fonctionnel ci-dessous:
LAPI re oit les informations du processus partir des capteurs li es aux entr es de
lAPI. Le r le de ces capteurs est de fournir des informations, par exemple, des
capteurs qui reconnaissent si une pi ce d'usinage se trouve une position donn e
ou de simples commutateurs ou boutons poussoirs, qui peuvent tre ouverts ou
ferm s, appuy s ou rel ch s.
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Chapitre 1
Capteurs TOR
0V
0V
0V
0V
Carte
dentr e
DI
I0.0
E1
Publicité
I0.1
I0.2
I0.3
0000
CPU
24V
0V (COM)
Figure 4a : Principe de connexion des entr es tat au repos
On distingue galement entre les contacts ouverture qui sont ferm s au repos et les
contacts fermeture qui sont ouverts au repos.
Capteurs TOR
24V
0V
24V
0V
Carte
dentr e
DI
I0.0
E1
I0.1
I0.2
I0 .3
0101
CPU
24V
0V (COM)
Figure 4b : Principe de connexion des entr es tat actionn es
Les capteurs TOR sont connect s ensemble par le pole plusse 24 v fournie par lautomate
et les sorties sont connect s aux entr es I0.0, I0.1, I0.2,&.
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Chapitre 1
II-3 cartes de sorties TOR :
Chaque carte comporte g n ralement 8, 16, 32 sorties logiques et peut correspondre au
sch ma fonctionnel suivant :
0000
CPU
Carte de
sortie
DO
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
L1 L2 L3
U V W
MAS MAS
24V
0V
Figure 5a : Principe de connexion des sorties tat au repos
Carte de
sortie
Q0.0
24V
L1 L2 L3
0001
CPU
Q0.1
Q0.2
Q0.3
0V
0V
0V
U V W
MAS MAS
24V
0V
Figure 5b : Principe de commande des sorties tat actionn e
LAPI commande le processus en connectant des actionneurs via les points de
connexion de lAPI appel s sorties une tension de commande de 24 V p.ex.. Ceci
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Chapitre 1
permet de d marrer ou darr ter un moteur, de faire monter ou descendre des vannes ou
dallumer et teindre des lampes.
Les pr -actionneurs se connectent la borne n gative 24V de lautomate et suivant le
programme trait lautomate est quip par des relais distribue le 24V vers les pr -
actionneurs.
Dans ce cas le moteur ne fonctionne que si le programme autorise la fermeture du relais
Q0.0.
II-4 Cartes dentr es/sorties analogiques :
A la diff rence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux tats
"Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont
capables (dans une certaine plage donn e) de prendre n'importe quelle valeur comprise
entre 0V et 10V ou de 0 20mA.
ENTREE
ANALOGIQUE
AI
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SORTIE
ANALOGIQUE
AO
C
A
N
Algorithme
de calcul
C
N
A
Consigne
Vane
commande
analogique
Capteur analogique
Figure 6 : Principe de commande des sorties tat actionn e
Exemples de grandeurs analogiques:
Temp rature -50 ... +150 C
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Chapitre 1
D bit 0 ... 200 l/min
Vitesse 0 ... 1500 tr/min
etc.
En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont converties en tensions
lectriques, en courants ou en r sistances. Pour une vitesse mesur e de 865 tr/min, le
transducteur de mesure afficherait une tension de 3,65 V. Ces tensions lectriques,
courants et r sistances sont ensuite connect s un module analogique qui num rise le
signal.
La chaine dacquisition et de traitement r pond p riodiquement la proc dure
suivante (toutes les 100ms par exemple) :
1. Acquisition de la mesure via la carte dentr e analogique. Pour cela le CAN
(convertisseur analogique num rique figure 8) fournit une valeur num rique cod e
sur 12 16 Bits.
2. Le programme de traitement (algorithme de calcul) d termine sous forme
num rique la valeur fournir en sortie, en tenant compte des diff rents
param tres :
La valeur de la mesure
La valeur de la consigne
Le type dalgorithme (PID,&.)
3. Emission par la carte de sortie analogique de commande pour cela le CNA
(convertisseur num rique analogique figure 7) convertit la valeur num rique de
sortie sous forme analogique (tension, courant &.).
II-5 Cartes dentr es/sorties complexes :
Toutes ces cartes dites << intelligentes >> disposent en plus des interfaces dentr e et de
sortie, dun v ritable micro-ordinateur assurant un traitement local plus ou moins
sophistiqu .
Ceci permet, dune part d viter un d veloppement souvent fastidieux de
lapplication, dautre part de r duire parfois consid rablement la place m moire et le
temps dex cution au niveau de lUC de lautomate programmable.
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Chapitre 1
II-5-1 Carte daxes pour moteur courant continu ou alternatif
D placement
Codeur
Dynamo
Moteur
Variateur
Position
Vitesse
Entr e NUM
315
Entr e ANA
5.67 V
Sortie ANA
8.35 V
BUS LOCAL
BUS de donn es
BUS dadresses
BUS de contr le
D placement 450 mm
Vitesse 50 Hz
Sens arri re
Commande Ok
ROM
p
D codeur
dadresses
Logique de
contr le
Figure 7 : Principe de la commande dun axe
La carte daxe envoie sur sa sortie analogique 10V une tension proportionnelle
lacc l ration et la vitesse souhait e. Une dynamo-tachym trique fournit une tension de
retour , image de la vitesse r elle du moteur , afin que la carte puisse corriger tout cart
ventuel.
Un codeur de position incr mental ou absolu, permet la carte de connaitre la position
de laxe, et donc de g rer la vitesse en cons quence.
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Chapitre 1
II-5-2 Carte daxes pour moteurs pas pas
D placement
Moteur
PAS PAS
AMPLIFICATEUR
DE PUISSANCE
Horloge
0 ou 1
1000 1101
Fr quence
4 KHZ
Sens
Compte
rendue
BUS LOCAL
Nombre de pas 500
Vitesse 50 Hz
Sens arri re
Commande Ok
ROM
p
D codeur
dadresses
Logique de
contr le
BUS de donn es
BUS dadresses
BUS de contr le
Figure 8 : Principe de commande dun moteur pas pas avec API
La carte daxe envoie sur sa sortie TOR une s rie dimpulsion avec une fr quence
proportionnelle lacc l ration et la vitesse souhait e. La quantit totale dimpulsions
envoy es correspond quand celle au nombre de pas que doit parcourir le moteur.
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Chapitre 1
II-5-3 Carte de r gulation PID
Gain 1.2
Ti 0.5
Td 0.7
Consigne 40%
Sortie 39%
P
I
D
Manu
Auto
CNA
Vanne 39%
+
A
I
-
A
I
CAN
Capteur de d bit 41%
Figure 9 : Principe de r gulation par API
Cette carte comporte souvent plusieurs entr es analogiques permettant de recevoir
le signal de mesure issu des transmetteurs 4-20mA, ainsi que plusieurs sorties analogiques
permettant de piloter les vannes de r gulation.
Le microprocesseur local traite le programme labor partir des diff rents algorithmes de
r gulation implant s sur la carte m me (PID, Sommation, Racine carr e,..).
III-
Crit res de choix dun API :
LAPI se caract rise par :
Une programmation qui offre un langage destin e lautomaticien (et non celui
de linformaticien.
Des possibilit s de simulation et de visualisation qui apportent lutilisateur une
aide efficace la mise au point et lexploitation (modification ais e de
lautomatisme).
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Chapitre 1
Une puissance de traitement et un ensemble de cartes sp cialis es permettant un
d veloppent ais dapplications particuli res : communication, asservissement
daxes, r gulation.
Des possibilit s dextension en termes dentr es sorties.
Pour cr er un projet base dun API, des outils n cessaires comme :
Un API de caract ristique compatible au syst me commander : nombres
dentr e sorties ; type dentr es&
Un logiciel de programmation adapt lAPI.
Un c ble de liaison entre PC/API
Figure 10 : outils pour d marche dun projet
analogique
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