AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS (API)
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I. INTRODUCTION Historique : les API sont apparus aux Etats-Unis vers 1969. Objectif de départ : répondre aux désirs des industries de l’automobile, de développer des chaînes de fabrication automatisées, qui pourraient suivre l’évolution des techniques et des modèles fabriqués. Evolution : l’API s’est de plus en plus développé en raison : de sa souplesse (du point de vue mise en œuvre, ...), de l’évolution croissante des CPU, mais aussi parce que dans les automatisations de commande complexe, les coûts de câblage et de mise au point devenaient trop élevés. 2
Rôle et emploi :. L’API est un appareil que l' on programme pour effectuer des opérations cycliques. Il reçoit des données par ses entrées, celles-ci sont ensuite traitées par un programme défini, et le résultat obtenu est délivré par ses sorties.
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Principe :. La particularité essentielle de l’API est de s' adapter aux besoins de chaque machine par une programmation. Matériellement, c' est un boîtier lié à l' extérieur par deux flux de signaux : Les signaux d'entrée : signaux en retour de la machine, signaux de commande issus du pupitre... Les signaux de sortie : signaux de commande émis vers la machine, signaux de visualisation vers le pupitre...
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Capacité d’un automate :. Elle est déterminée par le nombre de ses entrées, de ses sorties, ainsi que sa capacité mémoire nécessaire pour stocker le programme dans l‘unité centrale.
Programmation :. Elle peut s' effectuer de trois manières différentes : sur l' API lui-même à l' aide de touches. API avec une console de programmation reliée par un câble à l' avec un PC et un logiciel approprié.
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Objectifs de l’automatisation L' automatisation consiste à transférer tout ou partie des tâches de
coordination, auparavant exécutées par des opérateurs humains, dans un ensemble d' objets techniques appelé partie commande. Ceci permet de :
accroître la productivité du système, c' est-à-dire augmenter la quantité de produits (en terme de rentabilité, compétitivité, accroissement de production...) ; améliorer la flexibilité de production (tâches physiques ou intellectuelles pénibles pour l' homme ; tâches répétitives, ...) ; s' adapter à des contextes particuliers (environnements hostiles pour l' homme ; milieu salin, spatial, nucléaire...) ; d' autres objectifs, à caractères sociaux, financiers... peuvent s' ajouter à ceux-ci. 6
II. STRUCTURE DES API II.1
Rappel sur la structure d’un système automatisé
Tout système automatisé comporte : - une partie opérative (P.O.) procédant au traitement des matières d’oeuvre afin d' élaborer la valeur ajoutée; - une partie commande (P.C) coordonnant la succession des actions sur la partie opérative avec la finalité d' obtenir cette valeur ajoutée. 7
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II.2
Aspect extérieur des API Les API sont disponibles modulaires (différents types de microprocesseurs et d’entrées-sorties) et sous diverses présentations : coffret, pack, cartes… Pour les ambiances difficiles (température, poussière, risque de projection ...), les API utilisés sont en boîtier étanche, supportant une large gamme de température. Les contraintes de l’environnement industriel se présentent sous trois formes : environnement physique et mécanique ; pollution chimique ; perturbation électrique. 9
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II.3
Structure interne d'un API
La structure interne d’un API peut se représenter comme suit :
La structure interne d’un API est assez voisine de celle d’un système micro-programmé. Le compteur de programme est un simple séquenceur, qui met cycliquement en communication, dans un ordre immuable, les mots 11 de mémoire programmé avec le processeur.
Les API comportent quatre principales parties (Figure ci-dessus) : une mémoire ; un processeur; des interfaces d’entrées-sorties ; une alimentation 230 V, 50/60 Hz (AC) - 24 V (DC).
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III. DESCRIPTION DES ELEMENTS D’UN API III.1 La mémoire Il existe dans les automates, plusieurs types de mémoires qui remplissent des fonctions différentes qui sont entre autres : conception et élaboration du programme ; conservation du programme… 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 commander 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, 13 LIRE pour en lire le contenu d’un programme sans le modifier .
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 (Erasable Programmable Read Only Memory) : mémoires mortes reprogrammables ; effacement aux rayons ultra-violets. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) : mémoires mortes reprogrammables ; effacement électrique 14
III.2 Le processeur Le microprocesseur réalise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de temporisation, de comptage, de calcul... à partir d' un programme contenu dans sa mémoire. Il est connecté aux autres éléments (mémoire et interfaces E/S) par des liaisons parallèles appelées 'BUS 'qui véhiculent les informations sous forme binaire...
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III.3 Les interfaces Interfaces d’entrées : elles sont destinées à : Recevoir l’information en provenance des capteurs ; Traiter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l’unité de commande de la partie opérative.
Interfaces de sorties : elles sont destinées à : Commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système ; Adapter les niveaux de tensions de l’unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières. 16
L’interface d’entrée comporte des adresses d’entrée. Chaque capteur est relié à une de ces adresses. L’interface de sortie comporte de la même façon des adresses de sortie. Chaque pré-actionneur est relié à une de ces adresses. Le nombre de ces entrées et sorties varie suivant le type d’automate.
III.4 Une alimentation électrique Tous les automates actuels sont équipés d' une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entrées sont en 24 V DC et une mise à la terre doit également être prévue. 17
IV. FONCTIONNEMENT DES API L’automate programmable est un système de traitement logique d’informations, dont le programme de fonctionnement est effectué à partir d’instructions établies en fonction du processus à réaliser.
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IV.1 Principe général de fonctionnement d’un API L’API est construit autour d’un microprocesseur ; Les entrées sont nombreuses et acceptent les signaux venant des capteurs ; Les sorties sont traitées pour actionner les actionneurs ; Le langage de programmation est simple et accessible rapidement ; La mémoire est en partie prise par le programme moniteur (contrôle fonctionnement de l’automate, gestion interne des traitements). 19
D’une façon général, on a (voir figure ci-dessus) : Le programme de traitement des informations est stocké en mémoire. L’unité de traitement pilote le fonctionnement de l’automate. La console de programmation assure le dialogue entre l’opérateur et l’automate. Enregistrement du programme et 20 transfert dans l’automate.
IV.2 Mise en oeuvre A partir d’un problème d’automatisme donné, dans lequel on a défini les commandes, les capteurs et le processus à réaliser, il faut : -
Etablir le GRAFCET (ou l’organigramme,logigramme, équations logiques, …) ; Ecrire le programme (écriture des instructions) ; Rentrer le programme programmation ;
à
l’aide
de
la
console
de
Transférer le programme dans l’unité centrale de l’automate ; Tester à vide (mise au point du programme) ; Raccorder l’automate à la machine.
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IV.3 Choix d’un API Les critères de choix essentiels d’un automate programmable industriel sont : Les compétences/expériences de l’équipe d’automaticiens et la mise en oeuvre et programmation de la gamme d’automate; Les capacités de traitement du processeur (vitesse, mémoire, données, opérations, ...); Le nombre et le type des entrées/sorties nécessaire; La qualité du service après-vente; Etc. 22
V. JEU D’INSTRUCTIONS
Le processeur peut exécuter un certain nombre d’opérations logiques; l’ensemble de ces instructions booléennes, et des instructions complémentaires de gestion de programme (saut, 23 mémorisation, adressage ...) constitue un jeu d’instructions.
V.1
Opérations logiques de base
Les opérations logiques de base sont : • • • • •
V.2
Lecture de l' état d' une variable (Load, If, ... etc); Et logique (AND); OU logique (OR, + ...); Affectation ou égal ( = , SET , ....); Négation ou PAS (NOT , Non , Pas).
Instructions complémentaires
Les instructions complémentaires sont la mémorisation, temporisation, le comptage, le saut (avant ou arrière),…
la
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V.3
Langages d'automates
Les automates programmables industriels doivent pouvoir être utilisés facilement par du personnel habitué aux techniques classiques d' automatisation et peu à l' informatique. Ceci a conduit les constructeurs des API à concevoir des langages d' application spécialement adaptés à la réalisation d' automatisme. On distingue : Les langages graphiques : – LD : Ladder Diagram ( Diagrammes échelle ) – FBD : Function Block Diagram ( Logigrammes ) – SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet) Les langages textuels : – IL : Instruction List (Liste d’instructions). – ST : Structured Text (Texte structuré).
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VI. RESEAUX D’AUTOMATES VI.1
Principe
Les commandes d'automatismes câblés sont de plus en plus remplacées par des API ou des micro-ordinateurs qui assurent la commande et le réglage des machines, d'éléments de machine ou d'étapes de fabrication. A partir du moment où tous ces équipements sont de type informatique, il devient intéressant de les interconnecter à un mini-ordinateur ou à un automate de supervision.
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En conformité avec la philosophie des automates, les besoins de communication inter-automates sont couverts par des réseaux d' automates. L' interconnexion entre deux automates peut être réalisée très simplement en reliant certaines sorties d' un automate à des entrées de l' autre automate et vice-versa. Inconvénient : Cette méthode ne permet pas de transférer directement des variables internes d' un automate sur l' autre. Elle devient coûteuse en nombre d’entrées/sorties lorsque le système devient plus complexe.
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VI.2 Différents types de réseaux d’automates VI.2.1 Réseau en étoile Dans ce cas, un centre de traitement commun, échange avec chacune des autres stations. Deux stations ne peuvent pas échanger directement entre elles (Figure ci-dessous).
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VI.2.2 Réseau en anneau Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution une station doit recevoir des informations de est intéressante lorsqu' la station précédente ou en transmettre vers la suivante.
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VI.2.3
Réseau hiérarchisé
C' est la forme de réseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d' utilisation. Les informations peuvent circuler entre stations d' un même niveau ou circuler de la station la plus évoluée (en général un calculateur) vers la plus simple, et réciproquement.
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VII.
Instructions spécifiques pour une première mise en œuvre de l’API
un API, comme tout système de commande complet, doit procurer les aides au réglage et au dépannage de la machine au cours de son exploitation, mais aussi permettre : la visualisation des états des entrées et des sorties ; la visualisation de l' avancement du cycle par exemple par l' affichage des étapes actives ; l’accès aux différents réglages : temporisations, comptages... L' installation doit donc permettre d' assurer les trois fonctions suivantes : Programmation lors de la première mise en oeuvre ; Commande automatique de la machine ; Aide à l' exploitation (réglages et dépannages).
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VII.1 Principales configurations pour mise en œuvre des API
Dans cette configuration, tous les points d'accès sont situés sur l’API, qui est utilisé à la fois pour la commande automatique, la programmation et l'aide à l'exploitation.
Cette configuration, plus classique prévoit un terminal de programmation amovible, permettant une programmation servant à plusieurs machines ; il peut être très développé, et faciliter la programmation et les réglages 33
Cette configuration fait correspondre un appareil à chaque fonction : La commande automatique est assurée par l' automate programmable implanté en coffret; La programmation se fait par un terminal amovible ; L' aide à l' exploitation s' effectue par un terminal d' exploitation implanté sur pupitre, et qui permet les réglages et dépannages. 34
VII.2
Exploitation ‘directe’ du grafcet avec un logiciel
Lorsqu’un logiciel adapté à l’automate est disponible, la procédure à suivre pour implanter le programme est le suivant : Etablir le grafcet conformément au cahier des charges; Utiliser le ‘module graphique’ du logiciel pour insérer la version schématisée du grafcet; Sauvegarder puis compiler le programme conformément au manuel; Procéder à diverses simulations pour tester les étapes, transitions, etc, et valider ainsi le modèle; Transférer vers l’automate; Tester.
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VII.3
Exploitation ‘indirecte’ du grafcet
Lorsqu’on ne dispose pas d’un logiciel adapté à l’automate, il reste la possibilité de : Convertir le grafcet en langage Ladder (ou schémas à contact); Convertir le grafcet en langage LI (Liste d’instructions); Convertir le grafcet en schémas à contact.
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VII.4
Présentation et raccordement automate
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VIII. Le langage à contacts ou ‘Ladder Diagramme’ Le ladder diagramme est un mode de programmation utilisant une symbolique beaucoup plus lisible que les codes booléen ou listes d’instructions. L’idée de base de ce langage consiste à utiliser le principe des réseaux à contacts pour représenter les fonctions logiques à réaliser.
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Symbolique Ladder Les symboles utilisés dans ce mode de programmation sont : •
: variable d' entrée ou contact à fermeture ;
•
: variable d' entrée complémentée ou contact à ouverture;
• -( )- : variable de sortie (O0,2 sortie automate, etc..); • -(S)- : sortie mise à un mémorisée (S = set); • -(R)- : sortie mise à zéro mémorisée (R = reset),
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Règle Le ‘ET’ logique de plusieurs variables est représenté dans le langage Ladder par la mise en série des symboles associés à ces variables.
Le ‘OU’ logique de plusieurs variables est représenté dans le langage Ladder par la mise en parallèle des symboles associés à ces variables.
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