Chapitre 1 : généralités sur l’automatisme : I. Notion du système : 1. Définition d’un système technique : Un système technique est un ensemble organisé d’éléments fonctionnels en interaction, conçu pour répondre à un besoin. La fonction globale d’un système est d’apporter une valeur ajoutée à un ensemble de matières d’œuvre dans un environnement ou un contexte donné. -Ces flux entrants et sortants peuvent être de types « énergie », « matière » ou « information ». 2. Définition d'un système de production : Un système de production est un système à caractère industriel possédant les caractéristiques suivantes : - L'obtention de la valeur ajoutée présente un caractère reproductible. - La valeur ajoutée peut être exprimée et quantifiée en termes économiques. II. Automatisation : 1. Définition : - L’automatisation consiste à « rendre automatique » les opérations qui exigeaient auparavant l’intervention humaine. - L’automatisation est considérée comme l’étape d’un progrès technique ou apparaissent des dispositifs techniques susceptibles de seconder l’homme, non seulement dans ses efforts musculaires, mais également dans son travail intellectuel de surveillance et de contrôle. Une autre définition : - L’automatisation d’une production consiste à transformer l’ensemble des tâches de commande et de surveillance, réalisées par des opérateurs humains, dans un ensemble d’objets techniques appelés partie commande. Cette dernière mémorise le savoir faire des opérateurs, pour obtenir l’ensemble des actions à effectuer sur la matière d’œuvre, afin d’élaborer le produit final. - L'automatisme consiste en l'étude de la commande de systèmes industriels. 2. Le niveau d’automatisation : Il y a différents degrés d’automatisation qui vont du niveau totalement manuel correspondant à 0% d’automatisation à un niveau total d’automatisation (100%) dans lequel l’homme ne joue aucun rôle dans l’accomplissement de la tâche. Cependant, dans la plupart des applications, l’operateur humain et la machine automatisée coopèrent pour mener à bien la tâche ou la mission à accomplir. Dans les systèmes de haut degré d’automatisation, l’operateur humain joue seulement le rôle de superviseur. III. Système automatisé : 1. Définition : - Un système est dit automatisé s’il exécute toujours le même cycle de travail d’une manière autonome à chaque fois que les conditions initiales sont remplies. - un système automatisé a pour but : diminuer les tâches de l’être humain. exécuter des tâches répétitives , pénibles ou dangereuses pour l’homme… économiser le temps et l’énergie humaine . réaliser l’abondance , la qualité , rapidité et la précision dans la production … augmenter la sécurité des personnes ,de produit et de matériels. 2. Structure d’un système automatisé : un système automatisé est composé de : * partie commande : « cerveau» c’est la partie qui traite les informations, elle gère et contrôle selon une suite logique le déroulement du cycle : reçoit les consignes de l'opérateur et les comptes rendus de la partie opérative ( Les comptes rendus de la partie opérative sont les signaux envoyés par les capteurs installés sur les machines) et adresse des ordres à la partie opérative. * partie opérative « corps »: que l’on appelle également partie puissance, c’est la partie visible du système , permet de transformer la matière d’œuvre entrante en effectuant les actions ordonnées par la partie commande. - la partie opérative peut être mécanique, électrique, pneumatique, ou hydraulique, et bien souvent un assemblage de ces technologies . - Pour exécuter les ordres de la partie commande , la partie opérative est équipée de : actionneurs : sont des composants capable de produire un phénomène physique (déplacement, dégagement de chaleur, émission de lumière...) à partir de l'énergie qu'il reçoit…parmi les actionneurs on peut citer : les moteurs ,les vérins pneumatiques ou hydrauliques ,les vannes .... capteurs :sont des éléments capable de détecter (avec ou sans contact) un phénomène physique dans leur environnement ( présence ou déplacement d'un objet, chaleur, lumière) et de rendre compte de ce phénomène à la partie commande. Parmi les capteurs on peut citer : les capteurs optiques ,les capteurs de contact ,les capteurs de mouvement ... - Un système automatisé, quel qu'il soit, nécessite un opérateur, c'est une personne qui donne des consignes au système et qui est capable de comprendre les signaux que la partie commande lui renvoie. - Le dialogue entre l’operateur et la machine peut être effectué par une Interface Homme-Machine informatisée, un pupitre ou une boite à bouton. -Les informations entre la partie commande et la partie opérative passent souvent par l’intermédiaire d’interfaces. Cette dernières assurent une compatibilité entre les signaux qui circulent entre la partie commande et la partie opérative. On en distingue deux types : _ Celles qui permettent un changement de niveau d’énergie : relais instantanés, contacteurs auxiliaires… _ Celles qui permettent un changement de type d’énergie : interfaces électropneumatiques, contacts à pression… 3. Chaîne fonctionnelle d’un système automatisé : Une chaîne fonctionnelle est un sous-ensemble d’un système automatisé. On peut distinguer au sein des systèmes deux chaînes, l’une agissant sur les flux de données, appelée chaîne d’information (Chaîne d'acquisition), l’autre agissant sur les flux de matières et d’énergies, appelée chaîne d’énergie (Chaîne d'action) I. Les différentes approches de l’automatisme : Les systèmes logiques : On désire étudier le comportement global du système automatisé, et ainsi, décrire l'ordre dans lesquels le système effectue les différentes tâches (actions = sorties). Alors, toutes les chaînes d'actions et d'acquisition (sorties et entrées) sont représentées par des variables de type logique (signal binaire 0 ou 1). Chaque grandeur ne connaît que deux états différents, on ne tient pas compte des régimes transitoires : allumé/éteint, ouvrir/fermer, présent/absent, à l'arrêt/en mouvement… Les systèmes continus : On désire étudier le comportement temporel d'une seule chaîne d'action. On prend en compte les régimes transitoires. Les grandeurs d’entrées et de sortie ne sont plus binaires : elles sont analogiques variateur de vitesse, thermostat… II. Différents types de commande : Ils existent sur les SAP différents types de commandes : 5.1. Système automatisé combinatoire : Ces système n'utilisent aucun mécanisme de mémorisation (ils n'ont pas de mémoire) et à une combinaison des entrées correspond une seule combinaison des sorties. La logique associée est appelée logique combinatoire. Les systèmes automatisés utilisant la technique du «combinatoire» sont aujourd'hui très peu utilisés. Ils peuvent encore se concevoir sur des mécanismes simples où le nombre d'actions à effectuer est limité. Ils présentent en plus l'avantage de n'utiliser que très peu de composants (vérins, distributeurs, capteurs, cellules). 5.2. Système automatisé séquentiel : Ces systèmes sont les plus répandus sur le plan industriel. Le déroulement du cycle s'effectue étape par étape. A une situation des entres peut correspondre plusieurs situations de sortie. La sélection d'une étape ou d'une autre dépend de la situation antérieure du dispositif. La logique associée est appelée « logique séquentielle ». III. Technologies des automatismes : L’automaticien dispose de nombreux outils technologiques pour réaliser l’organe de commande de son système que l’on regroupe habituellement en deux catégories fondamentales : Les solutions câblées : l’automatisme est réalisé par des modules raccordés entre eux selon un schéma fourni par la théorie ou par l’expérience. Ces modules peuvent être électromagnétiques, électriques, pneumatiques ou fluidiques. En électricité ou en électronique, les liaisons sont faites par câbles électriques alors qu’en fluidique il s’agit de canalisations reliant les différents composants. Chaque opérateur des équations de commande booléennes est représenté physiquement par un circuit. Trois technologies permettent de réaliser des automatismes câblés : relais électromagnétiques, modules logiques pneumatiques, cartes ou modules électroniques. Ils souffrent cependant d'un certain nombre de limitations parmi lesquelles nous citons : Leur encombrement (poids et volume), leur manque de souplesse vis-à-vis de la mise au point des commandes et de l'évolution de celles-ci (améliorations, nouvelles fonctions, modification, etc.): Toute modification impose la modification de câblage voire un changement de composants, Leur difficulté de maîtriser des problèmes complexes, La complexité de recherche des pannes et donc du dépannage, Leur coût élevé pour les systèmes complexes. les solutions programmées : La technologie programmable consiste à substituer le fonctionnement de l'automatise par un programme chargé sur un constituant programmable c'est-à-dire des machines destinées à traiter de l'information. Leur utilisation en gestion et en calcul scientifique est connue. Alors, les applications techniques relèvent de l'informatique industrielle. L'informatique industrielle est une discipline conjuguant les théories de l'automatique et les moyens de l'informatique dans le but de résoudre des problèmes de nature industrielle. L'informatique offre donc une alternative technologique à l'automaticien et lui ouvre des possibilités nouvelles liées à la puissance de traitement et aux facilités de mémorisation de l'information. L’automatisme programmé est personnalisé par les choix matériels et par la programmation. Trois technologies permettent de réaliser des automatismes programmés : cartes électroniques standards et spécifiques, micro et mini-ordinateurs, automates programmables. En termes d'avantage, nous citons: Moins de câble et d'encombrement Fiabilité de l'automatisme. Facilité de modification Flexibilité Résolution des problèmes complexes. Le choix de la technologie peut être résumé comme suit : Le micro-ordinateur est utilisé surtout dans les cas des systèmes complexes (nombre d'E/S assez grand, calculs sur les réels, etc.). Les cartes électriques spécifiques sont utilisées pour résoudre un problème bine défini. Elles sont appelées uniquement dans le cas où le nombre d'exemplaire est supérieur à 100 car leur coût est assez élevé. Les cartes électroniques standards sont utilisées dans les automatismes grand public : distributeurs, parking, etc. Les automates programmables sont utilisés dans les cas des systèmes complexes, flexible et évolutifs. IV. L’automatisation et l’ industrie: Dans l'industrie, l’évolution des technologies et les besoins de compétitivité conduisent de plus en plus vers l’automatisation des systèmes de production. Cette automatisation est plus simple à mettre en œuvre pour garantir un meilleur déroulement du processus de production, vu les avantages offerts par ce système de commande. les automatismes sont devenus indispensables : ils permettent d'effectuer quotidiennement les taches les plus ingrates, répétitives et, dangereuses. Parfois, ces automatismes sont d'une telle rapidité et d'une telle précision, qu'ils réalisent des actions impossibles pour un être humain. L'automatisme est donc synonyme de productivité et de sécurité. . Les automatismes sont présents dans tous les secteurs d’activité (menuiserie, textile, alimentaire, automobile…). Le développement de l'industrie à entraîner une augmentation constante des fonctions électroniques présentes dans un automatisme c'est pour ça que l'API s'est substitué aux armoires à relais en raison de sa souplesse dans la mise en œuvre, mais aussi parce que dans les coûts de câblage et de maintenance devenaient trop élevés. L’automate programmable industriel (API) apporte une solution sur mesure pour les besoins d’adaptation et de flexibilité, au vu du nombre d’activités économiques actuelles. Aujourd’hui, il est devenu l’élément le plus répandu de l’installation automatisée Les automates programmables industriels sont apparus à la fin des années soixante (1969), à la demande de l'industrie automobile américaine…, qui réclamait plus d'adaptabilité de leurs systèmes de commande. IV. Automate programmable industriel : 1. Définition: L’automate programmable industriel A.P.I ou programmable logique Controller PLC est un appareil électronique de traitement de l’information programmable (par un personnel non informaticien) qui réalise des fonctions d'automatisme pour assurer la conduite et la surveillance en temps réel de processus industriels. Trois caractéristiques fondamentales le distinguent des outils informatiques tels que les ordinateurs utilisés dans les entreprises et le tertiaire : Il peut être directement connecté aux capteurs et pré-actionneurs grâce à ses entrées/sorties industrielles. Il est conçu pour fonctionner dans des ambiances industrielles sévères (Température,vibrations, microcoupures de la tension d'alimentation, parasites, etc…). Enfin, sa programmation à partir de langages spécialement développés pour le traitement de fonctions d'automatisme facilite son exploitation et sa mise en œuvre. 2. Quelques fabriquant des automates dans le monde : • Siemens ( S7-200,S7-300,S7-400,S7-1200,LOGO . . .) • Schneider électrique (TSX 17/37/57, TSX micro ,premium. . .) • Rockwell Automation (micrologix 1200/1400,SLC-500, SLC5000 .. .) • ABB (AC500,AC800C,S500 . . .) • Omron (ZEN ,CPM 1A/2A/2C,CS1,CJ1. . .) • Mitsubishi (MELSEC FX1S/FX1N ,série L ,système Q . . .) • Yokugawa (FCN,FCN-RTU,FCJ . . .) 3. Applications des automates programmables : Commande des machines Automatisme du bâtiment Machines outil a commande Chauffage, climatisation. numérique. Distribution électrique. Convoyage. Eclairage. Emballage. Sécurité, alarmes. Machines de chantier, engin de levage. Régulation de Processus Chimie Contrôle de systèmes pétrochimie Production et distribution d’énergie pharmaceutique (électricité ,pétrole, gaz) Traitement des eaux Transports (chemin de fer, routier, Thermique, fours, métallurgie marine). 4. Architecture matérielle des automates programmables industriels : Un automate programmable est constitué de : une alimentation (220 V ---> 24 V). Unité de traitement de l’information (CPU) Processeur, unité arithmétique et logique Mémoire contenant le programme Mémoire contenant les données Interface pour la programmation Interfaces pour les signaux d’entrée Tout ou rien: 24 V DC Analogiques: +/-10V; 4..20mA; etc Interfaces pour les signaux de sortie Tout ou rien: 24 V Tout ou rien à contacts Analogiques: +/-10V; 4..20mA; etc. Ces quatre parties sont reliées entre elles par des « bus» (ensemble de fils autorisant le passage des informations entre ces secteurs de l'automate). La mémoire : Elle est conçue pour recevoir, gérer, stocker des informations issues des différents secteurs du système que sont le terminal de programmation (PC ou console) et le processeur, qui lui gère et exécute le programme. Elle reçoit également des informations en provenance des capteurs. Il existe dans les automates deux types de mémoires qui remplissent des fonctions différentes : - La mémoire programme où est stocké le langage de programmation. Elle est en général figée, c'est à dire en lecture seulement. (ROM : mémoire morte) - La mémoire de données utilisable en lecture-écriture pendant le fonctionnement c'est la RAM (mémoire vive). Elle fige les valeurs (0 ou 1) présentes sur les lignes d'entrées, à chaque prise en compte cyclique de celle-ci, elle mémorise les valeurs calculées à placer sur les sorties. Elle s'efface automatiquement à l'arrêt de l'automate (nécessite une batterie de sauvegarde). Le processeur : Son rôle consiste d’une part à organiser les différentes relations entre la zone mémoire et les interfaces d’entrées et de sorties et d’autre part à exécuter les instructions du programme de fonctionnement. Les interfaces et les cartes d'Entrées / Sorties: - L’interface d’entrée comporte des adresses d’entrée. Chaque capteur est relié à une de ces adresses. - L’interface de sortie comporte des adresses de sortie. Chaque préactionneur est relié à une de ces adresses. - Figure 4.8 : Les interfaces d'entrées/sorties - Cartes d'entrées :Elles sont destinées à recevoir l'information en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l'unité de commande de la partie opérative. - Cartes de sorties:Elles sont destinées à commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système et 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. Le nombre de ces entrées est sorties varie suivant le type d’automate. Les cartes d'E/S ont une modularité´ de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...). L'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. 5. Fonctionnement d’un automate programmable industriel : L'automate programmable reçoit les informations relatives à l'état du système et puis commande les pré-actionneurs suivant le programme inscrit dans sa mémoire. Généralement les automates programmables industriels fonctionnent selon le même mode opératoire : Traitement interne : L'automate effectue des opérations de contrôle et met à jour certains paramètres systèmes (détection des passages en RUN / STOP, mises à jour des valeurs de l'horodateur, ...). Lecture des entrées : L'automate lit les entrées (de façon synchrone) et les recopie dans la mémoire image des entrées. Exécution du programme : L'automate exécute le programme instruction par instruction et écrit les sorties dans la mémoire image des sorties. Ecriture des sorties : L'automate bascule les différentes sorties (de façon synchrone) aux positions définies dans la mémoire image des sorties. Ces quatre opérations sont effectuées continuellement par l'automate (fonctionnement cyclique) Dans ce cas, le temps de réponse à une variation d’état d’une entrée peut être compris entre un ou deux temps de cycle (durée moyenne d’un temps de cycle est de 5 à 15 ms). 6. Types des automates programmables : Les automates peuvent être de type compact ou modulaire automate programmable de type compact se présentent en une seule unité où l’ensemble des fonctions à savoir alimentation, CPU, interface entrée et sortie sont sur le même boitier . - 10 à 250 entrées-sorties - Nombre d’entrées-sorties extensible par blocs - Fonctions analogiques et communications limitées - Petits automatismes, logique combinatoire et séquentielle automates programmable modulaire présente une alimentation, CPU, interface entrée/sortie dans des boitiers indépendants les uns des autres (les modules) et reliés entre eux par bus ou font de panier. - <4’000 entrées sorties par CPU Nombre d’entrées-sorties modulables Comptage Commandes d’axes Pesage Communications Sécurité Automatismes complexes, régulation numérique, asservissements 7. Critères de choix d’un automate : Le choix d'un automate programmable est en premier lieu le choix d'une société ou d'un groupe et les contacts commerciaux et expériences vécues sont déjà un point de départ. Nombre d'entrées / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks dès que le nombre d'entrées / sorties nécessaires devient élevé. Type de processeur : la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur permettront le choix dans la gamme souvent très étendue. Fonctions ou modules spéciaux : certaines cartes (commande d'axe, pesage ...) permettront de soulager le processeur et devront offrir les caractéristiques souhaitées (résolution, ...). Fonctions de communication : l'automate doit pouvoir communiquer avec les autres systèmes de commande (API, supervision ...) et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (Profibus ...). Nombre de temporisateurs. 8. Langage de programmation pour API : La norme IEC 1131-3 définit cinq langages qui peuvent être utilisés pour la programmation des automates programmables industriels : Les langages graphiques : LD : Ladder Diagram ( Diagrammes échelle ) un langage graphique, le langage à contacts (LD) transcription de schémas à relais, est adapté au traitement combinatoire. Il offre les symboles graphiques de base : contacts, bobines, blocs. L'écriture de calculs numériques est possible à l'intérieur de blocs opérations. Exemple: FBD : Function Block Diagram ( Logigrammes ) SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet) un langage Grafcet qui permet de représenter graphiquement et de façon structurée le fonctionnement d'un automatisme séquentiel. Exemple: Les langages textuels : IL : Instruction List (Liste d’instructions). le langage liste d'instructions (IL) est un langage "machine" qui permet l'écriture de traitements logiques et numériques. Exemple: ST : Structured Text (Texte structuré). un langage littéral structuré (ST) qui est un langage de type "informatique" permettant l'écriture structurée de traitements logiques et numériques. Exemple: 9. Réseaux d'automates : Avec le développement des systèmes automatisés et de l'électronique, la recherche de la baisse des coûts et la nécessité actuelle de pouvoir gérer au mieux la production et a partir du moment où tous les équipements sont de type informatique, il devient intéressant de les interconnecter à un mini-ordinateur ou à un automate de supervision (Figure 4.12). Figure 4.12: Exemple d'une structure de contrôle et gestion de production Remarque : - dois-je ajouter des exemples à chaque élément défini. - Les figures : je vais sois mettre d’autres bien illustrées sois bien dessinées.
