E/S POUR API

INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
E/S POUR API
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DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
selon norme IEC 61131-1
Système numérique destiné à être utilisé dans un environnement industriel :
• Intégration facile dans un système d ’automatisme industriel et utilisation facile des
fonctions prévues
• Commande du processus au moyen d ’entrées et de sorties Tout-ou-Rien ou Analogiques
• Fonctions spécifiques dites métier :
- logique
- mise en séquence
- temporisation
- comptage
- calcul arithmétique
• Exécute des activités définies par l'utilisateur sous forme de
programme écrit dans un langage textuel ou graphique
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DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Système numérique destiné à être utilisé dans un environnement industriel :
Fermentation Process
Agitator
Feed valve
Acidic reagent
Alkali reagent
Temperature
sensor
pH sensor
Heater band
Harvest valve
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DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Système numérique destiné à être utilisé dans un environnement industriel :
Les fonctions du système de contrôle/commande sont :
• des fonctions logiques [séquentielles]:
- remplir la cuve (durée, volume, niveau...), la vidanger
- agiter la solution, mettre le chauffage ...
• des fonctions de régulation
:
- réguler la température autour de la consigne
- réguler le pH de la cuve
• des fonctions de production:
- calculer le point d'arrêt de la fermentation...
Fermentation Process
• des fonctions de surveillance :
- débordement de cuve,excès de température, de pH
- dérive du processus de fermentation
• des fonctions de communication :
- dialogue opérateur (écran IHM)
- dialogue réseau avec les autres entités informatiques
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DEFINITION D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Système numérique destiné à être utilisé dans un environnement industriel :
• Un automate est un système informatique spécialisé :
- fonctionnement en temps réel : l'échelle de temps est de l'ordre de 1 à 100 ms
- fonctionnement multitâche en temps partagé : toutes les activités fonctionnent
simultanément
- interaction avec les éléments matériels du processus
+ prise en compte de signaux électriques --> entrées
+ envoi de signaux électriques réalisant des actions sur le processus --> sorties
- fonctionnement en réseau [application répartie, entrées/sorties distantes,
capteurs et actionneurs intelligents]
- fonctionnement sûr (garanti par une norme)
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Rack
Prise
Communication
Voyants de
contrôle
Prise
Console
Alimentation
Unité
centrale
Module
Module
entrées
entrées
sorties
sorties
simples
spécialisées
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Couplage
Réseau
de Terrain
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
L ’automate doit remplir deux fonctions :
• un rôle de commande en élaborant des actions selon un algorithme approprié,
à partir des informations fournies par les détecteurs (Tout-ou-Rien) et les
capteurs (analogiques ou numériques)
•
un rôle de communication dans le cadre de l ’exploitation avec :
- l ’opérateur humain (dialogue homme-machine par IHM)
- les autres processeurs hiérarchiquement supérieurs
(calculateurs de gestion de production)
- les processeurs de rang égaux (répartition du contrôle d ’une
application sur plusieurs automates
- les éléments de rang inférieur (instrumentation intelligente)
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Dialogue opérateur
Outil de développement
Vers autres
automates
Console de mise au point E/S
du processus automatisé
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Supervision
Dialogue et supervision
Réseau local
Machine 4 :
peinture
Machine 3 :
gravure
Machine 2 :
transfert
Machine 1 :
magasin-tour
Dialogue opérateur
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Système automatisé à structure hiérarchisée
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Dialogue externe
(IHM, console,
réseau)
Les variables internes peuvent être utilisées en écriture et en lecture
par le programmeur de l'automate.
Elles servent à stocker des valeurs utiles à la réalisation du programme.
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Activité logicielle d ’un automate
• un automate est en permanence en activité dès
sa mise sous tension
• en mode « stop », l ’automate programmable
reste actif
- seule l ’exécution des tâches (logique, grafcet)
est suspendue
- les fonctions réseau restent actives (échange
avec les autres automates, surveillances des
E/S ...)
• le Traitement est exécuté selon les instructions
définies par le programmeur
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Activité logicielle d ’un automate
•
notion de machine d'état (Mealy)
étude du chronogramme des signaux externes et internes,
analyse de la synchronisation
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Activité logicielle d ’un automate: exemple du Grafcet
Règle de franchissement du graphe :
X1
X1
action1
Transition T1
X2
action2
Transition T2
X3
action3
-une transition est validée si toutes les étapes immédiatement
précédentes reliées à la transition sont actives
-la transition est franchie si la transition est validée ET si la réceptivité
associé à la transition est vraie
- le franchissement de la transition provoque simultanément l'activation de
la ou les étapes suivantes et la désactivation des étapes précédentes.
- si une étape doit être simultanément activée et désactivée, elle reste
active
- plusieurs transitions simultanément franchissables sont simultanément
franchies
la "simultanéité" matérielle est impossible sur l'automate !
l'exécution est donc différente du principe ! → interprétation du Grafcet
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Variables: la forme numérique ou discrète
•
binaire
 ensemble de définition discret
x∈ { 0 , 1 }
booléen , vrai/faux , case à cocher , bouton bascule , Tout ou Rien TOR
•
numérique
x∈ N
Sous-ensemble de N , nibble (entier 4bits) , Octet ou caractère (entier
8bits) , Mot (entier 16 bits), MotDouble (entier 32 bits)
• numérique signé ou entier relatif
x∈ Z
Complément à 2
•
numérique codé
BCD, binaire réfléchi , code de Gray
Flottant
Exemples : bouton poussoir , voyant signalisation
afficheur 7 segments , compteur , roues codeuses
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Variables :
la forme analogique
 variation continue dans l'espace de définition (type réel)
+
x∈ R
grandeur unipolaire
signal positif
grandeur bipolaire
x∈ R
signal signé (tension ou courant)
décalage de la grandeur (bipolar offset)
Exemples : résistance , température , tension , courant
 Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Variables : Notation normalisées CEI 61131 des variables
Bits :
Mots 16bits:
• %IXxxx
• %QXxxx
• %MXxxx
• %SXxxx
• %IWxxx mot entrée
• %QWxxx mot sortie
• %MWxxx mot interne
• %SWxxx mot système
• %KWxxx mot constant
entrée TOR
sortie TOR
bit interne
bit système
Mots 32bits:
•
%MDxxx mot interne 32 bits
Attention:
•
%MFxxx mot interne flottant
32 bits
il existe de nombreuses autres variables et des variantes de la syntaxe normalisée

Les outils de développement permettent d'affecter un nom symbolique à chacune
des variables physique de l'automate ; cette possibilité améliore la lisibilité d'une
application et permet de modifier l'affectation des E/S sans modifier le programme
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Notation normalisées IEC 61131 des variables sur un automate :
• Adressage variable:
L ’adresse variable xxx est structurée pour tenir compte de la structure
matérielle de l ’automate
<adresse> = [réseau].<numéro de chassis>.<numero d ’appareil>.<numero de voie>
Exemple : %IX0.3.5
entrée TOR n°5 du module d ’entrée 3 sur le chassis 0
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Langages normalisées IEC 61131-3 sur automate :
• SFC Sequential Function Chart ou
Sequential Flow Chart
langage de type Grafcet ou organigramme permettant la programmation
aisée des systèmes séquentiels
• FBD Functions Blocks Diagram ou Schéma-Bloc
représentation graphique de fonctions logiques ou de fonctions quelconques
• LD Ladder Diagram ou Diagramme en Echelle
représentation graphique des équations booléennes, avec possibilité
d'insertion de blocs FB . Langage le plus courant
• ST Structured Text
langage textuel permettant d'écrire toute type de fonctionnalité (séquentielle ou
non) . Remplacé par le langage C sur les automates les plus puissants.
• IL Intruction List
Langage textuel de bas niveau de type assembleur (une instruction par ligne)
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Langages normalisées IEC 61131-3 sur automate :
• POU Program Organisation Unit
Chaque partie de programme s'appelle un POU . Le langage d'un POU est défini par
l'utilisateur en fonction de ses habitudes et de la facilité à exprimer le problème.
Hiérarchie des POUs : 3 sections ou groupes principaux
- Programmes représentant des opérations séquentielles ou cycliques
- Fonctions pouvant être appelées depuis n'importe quel autre programme. Une fonction
peut appeler d'autres fonctions. Une fonction retourne une valeur.
- Blocs fonctionnels ou Function_Blocks pouvant être appelées depuis n'importe quel
autre programme. Un bloc-fonction peut appeler d'autres bloc-fonctions. Un bloc-fonction
peut ne pas retourner de valeur (procédure).
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Accès logiciel aux grandeurs Booléennes:
Langage IL
...
LD
%X11
AND
%M0
AND N
%I1.1
OR N
%I1.2
ST
%M2
ST
%Q2.0
LD
%M2
AND
%M1
R
%M2
....
Langage ST
....
IF (%X11 AND %M0 AND NOT(%I1.1)) OR (NOT(%I1.2)) THEN
%Q2.0 := TRUE ;
IF %M1 THEN
RESET %M2 ;
END_IF
ELSE
%Q2.0:= FALSE ;
END_IF
.......
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Accès logiciel aux grandeurs Numériques:
Langage IL
...
LD
%I1.0
OR
[%MW3>100]
MPS
[%MW5:=%MW1+%MW2]
MPP
IN
%TM1
LD
ST
....
%TM1.Q
%Q2.3
Langage ST
....
IF %I1.0 OR (%MW3>100) THEN
%MW5 := %MW1 + %MW2 ;
START %TM1;
END_IF
%Q2.3 := %TM1.Q ;
....
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Exemple de définition d'une fonction_block
Counter
up/down
count
le compteur est incrémenté ou décrémenté
à chaque appel de la fonction
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FONCTIONS D ’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
Activation des sorties en SFC
N
Non-stored
The action is active as long as the step
R
Reset
The action is deactivated (overriding a time limited activation)
S
Set (Stored)
The action is activated and remains active until a Reset
L
time Limited
The action is activated for a certain time, maximum as long as
the step is active
D time Delayed
The action becomes active after a certain time if the step is still active and
then it remains active as long as the step is active.
P
The action is executed just one time if the step is active
Pulse
SD Stored and Delayed The action is activated after a certain time and remains active
until a Reset
DS Delayed and Stored
The action is activated after a certain time as long as the step is still
active and remains active up to a Reset
SL Stored and time limited
The action is activated for a certain time
The qualifiers L, D, SD, DS and SL need a time value in the TIME constant format
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LES MODULES E/S TOR
 Mémorisation des sorties
Lecture au vol des entrées
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LES MODULES E/S TOR
Sortie sur plusieurs mots
 Non-synchronisme des actions sur le processus
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LES MODULES E/S TOR
Structure de sortie double-buffer
 Synchronisation matérielle des sorties
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LES MODULES E/S TOR
Structure d ’entrée avec mémoires tampons
 Lecture et mémorisation synchrone des Entrées
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LES MODULES E/S TOR
Cycle Lecture/écriture des E/S
• temps de cycle usuel : 1 à 5 ms
• un temps maximum est alloué par
l ’utilisateur. Le dépassement du temps
maximum est considéré comme une anomalie
de fonctionnement
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LES MODULES E/S TOR
Structure du watch-dog
 L ’absence de réactivation du chien de garde provoque la remise à zéro /
le repli / le gel des sorties et une signalisation externe de la défaillance
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LES MODULES E/S TOR
Autres fonctions sur TOR :
• Filtrage
Le filtrage élimine les rebonds des entrées et évite les erreurs
d ’interprétation de la valeur d ’une variable dans une cascade utilisant
%IXn puis not(%IXn)
• Repli/Gel:
Une valeur est affectée à chaque sortie TOR lorsque l ’automate passe en
mode « STOP »ou en cas de détection d ’erreur. Celle valeur peut être 0, 1
ou Maintien de la valeur de sortie
• Forçage:
Le forçage d ’une entrée ou d ’une sortie est accessible dans la phase mise
au point du programme de l ’automate.
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des entrées :
• cas des sources
de tension
fonctionnement dit en « logique positive »
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des entrées :
• cas des contacts « secs »
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des entrées :
• cas des capteurs statiques
PNP
NPN
« logique positive »
« logique négative »
couplage électrique entre les entrées et l ’automate
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des sorties :
• sorties « relais »
Isolation entre l ’automate et les sorties
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des sorties :
• sorties « statiques »
PNP
NPN
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Entrées analogiques :
pour un signal analogique représenté par un nombre binaire,
la plus petite variation correspond au changement de valeur
du bit de poids le plus faible  LSB (Least Significant Bit)
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Entrées analogiques :
 La valeur analogique est quantifiée avec une incertitude de ±
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1 LSB
2
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Entrées analogiques :
 le nombre de bits du convertisseur sera choisi en fonction
de la précision demandée
exemple : signal codé sur 12 bits soit une dynamique de 0 à 2 12-1
une variation de 1 pas correspond à une précision relative de
1/4096 soit 0,025%
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Entrées analogiques :
 Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques
• entrées multiplexées
%IWxx.0
%IWxx.1
%IWxx.2
%IWxx.3
%QWxx.0
%QXxx.1
....
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Entrées analogiques :
• entrées parallèles
%QWxx.0
%QXxx.1
....
%IWxx.0
%IWxx.1
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Sorties analogiques :
• sorties parallèles
%QWxx.0
%QWxx.1
%QWxx.2
....
Référence
de tension
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LES MODULES E/S ANALOGIQUES
Sorties analogiques :
• sorties démultiplexées
%QWxx.0
%QWxx.1
%QWxx.2
....
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ISOLATION DES ENTREES/SORTIES
Nécessité de l ’isolation :
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LES MODULES E/S TOR
Connexion des entrées :
• entrées opto-couplées
isolation galvanique
• entre l ’entrée et l ’automate
• entre les entrées
 l ’isolation implique une source d ’alimentation pour chaque structure isolée
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ISOLATION DES ENTREES/SORTIES
Modules isolés pour entrées TOR :
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ISOLATION DES ENTREES/SORTIES
Isolation des Entrées analogiques :
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ISOLATION DES ENTREES/SORTIES
Isolation des Entrées analogiques :
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ISOLATION DES ENTREES/SORTIES
Isolation des Sorties analogiques :
%QWxx.0
....
%QXxx.0
....
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INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
E/S POUR API
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LES MODULES Entrée Comptage/Décomptage
Fonction dédiée au Signal numérique incrémental
 La valeur numérique est l ’intégration des incréments
• Exemple: Comptage des impulsions
d ’une roue dentée
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LES MODULES Entrée Comptage/Décomptage
Cas du codeur incrémental
 La valeur numérique est l ’intégration signée des impulsions reçues
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LES MODULES Entrée Comptage/Décomptage
Cas du codeur incrémental
 Décodage
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LES MODULES Entrée Comptage/Décomptage
Structure d ’un module comptage/décomptage
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INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
E/S POUR API
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ACTIONNEURS
Action
 Transformation du signal de
commande en une grandeur
physique d ’un autre nature
Source d ’Energie
Signal de commande
ACTION
Actionneurs TOR
 L ’actionneur possède 2 états : actif ou inactif
exemple :allumage d ’un voyant, déclenchement d ’une sirène, mise en marche
d ’un chauffage, ouverture d ’une électrovanne, déplacement d ’un vérin,
avance continue d ’un tapis...
Actionneur proportionnel
 L ’action est proportionnelle au signal de commande
exemple : ouverture d ’une vanne, réglage de la puissance d ’un chauffage,
réglage d ’une pression, contrôle de l ’angle d ’un rotor...
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ACTIONNEURS
Chaîne d ’Action :
Ensemble des éléments qui permettent
d'obtenir une action
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Chaîne d ’Action:
•
ACTIONNEURS
Préactionneur :
Constituant de gestion d'énergie qui, sur ordre de la commande,
distribue une énergie disponible vers un actionneur (ex : relais,
distributeur, hacheur)
• Actionneur :
Objet technique qui convertit une énergie de puissance d'entrée en
énergie de sortie utilisable pour obtenir une action définie. (ex : vérin,
moteur)
• Effecteur :
Ensemble de constituants qui convertit l'énergie reçue de l'actionneur
pour l'adapter à l ’effet demandé sur le processus. (ex : réducteur,
tapis roulant, bras )
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PREACTIONNEURS
Commutation Tout ou Rien de la source d ’énergie
 Relais électromécanique
 Relais statique
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PREACTIONNEURS
Commutation Tout ou Rien de la source d ’énergie
 Cascade de pré-actionneurs
+
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PREACTIONNEURS
Commutation Tout ou Rien de la source d ’énergie
 Relais statique à isolation galvanique
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PREACTIONNEURS
Commutation Tout ou Rien de la source d ’énergie
 Cascade de pré-actionneurs
électrovanne
+
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie
 Principe de la Modulation de Largeur d ’impulsion MLI/PWM
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie
Grandeurs caractéristiques:
 période T
 fréquence F = 1/T
 rapport cyclique α =
T1
T1  T2
 Détection de l ’absence de signal
évaluation des temps par simple comptage
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie
Précision de mesure
Erreur sur front 
 E rreur sur durée
Erreur sur période 
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie sur charge résistive
1

PR =
T
1
=
T
 La relation puissance/rapport cyclique est linéaire,
indépendante de la période
T
∫ p R t dt
0
T1
∫ P max dt
0
PR = α P max
PR
Pmax
 Applications: contrôle de la luminosité d ’un
voyant, modulation d ’un chauffage à faible
puissance, d ’une enceinte thermostatée
α
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie sur charge selfique (bobine)
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MODULATION DE LA COMMANDE
Modulation de la source d ’énergie sur charge selfique (bobine)
Imoyen = α Imax
 Le courant moyen suit la loi de
commande (pour les courants forts)
 l ’ ondulation résiduelle dépend
des paramètres du système :
- fréquence du hacheur
- tension d ’alimentation
- valeur de la self-inductance et de
la résistance de la charge
 la force exercée par la bobine est proportionnelle à l ’angle de commande
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MODULATION DE LA COMMANDE
Application à la commande d ’une vanne proportionnelle
 l ’ondulation résiduelle permet de limiter l ’effet d ’hystérésis
Actionneurs
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Pierre BONNET
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ASSERVISSEMENT D ’UN (PRE)ACTIONNEUR
Principe
 Vérification de l ’exécution de la commande
 Élimination des erreurs de linéarité ou d ’hystérésis
 Possibilité d ’introduire une non-linéarité voulue dans la commande
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ASSERVISSEMENT D ’UN PREACTIONNEUR
Exemple: régulateur de débit
 La position du tiroir est mesurée par un
capteur interne
 Pas de mesure réelle du débit
 L ’appareil prend le nom de servovalve de
contrôle de débit
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ASSERVISSEMENT D ’UN (PRE)ACTIONNEUR
Exemple: régulateur de pression
 Mesure réelle de la pression
par un
capteur externe
 La pression mesurée sert de feedback au
régulateur
 L ’appareil prend le nom de servovalve de
contrôle de pression
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ASSERVISSEMENT D ’UN ACTIONNEUR
Exemple: Servovanne à commande pneumatique
 Mesure réelle du débit ou de la pression
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ASSERVISSEMENT D ’UN ACTIONNEUR
Servo-vanne: usage en régulation cascade
 Mise en place facilitée (loi de correction simplifiée)
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ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF
Modulation directe du secteur sur charge résistive
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ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF
Modulation directe du secteur
 La puissance délivrée est
strictement proportionnelle
au rapport cyclique
 Pas de perturbation
harmonique du réseau
 La puissance utilisée est
très inférieure à la puissance
maximale instantanée
 La puissance est
fluctuante à moyen terme
(perturbation des systèmes à
faible inertie)
Doc: Chauvin Arnould
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ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF
Modulation par angle de phase
 Ajustement très précis
de la puissance
 Adapté aux charges
selfiques (bobines,
transformateurs)
 La relation rapport
cyclique/puissance n ’est pas
linéaire
 Le principe est
générateur d ’harmoniques
sur le réseau
Doc: Chauvin Arnould
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ACTIONNEURS A COURANT ALTERNATIF
Synchronisation des contrôleurs
Doc: Chauvin Arnould
Doc: Chauvin Arnould
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ACTIONNEURS THERMIQUES
Modulation directe du secteur
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Principe fondamental de la dynamique
 L ’application d ’une force à une masse en translation provoque sa mise en mouvement
M ẍ = ∑ Forces Motrices − ∑ Forces Résistantes
 L ’application d ’un couple à une inertie en translation provoque sa mise en rotation
J θ̈ = ∑ Couples Moteurs − ∑ Couples Résistants
 L ’entraînement d ’une charge mécanique impose de maîtriser la loi
d ’accélération donc la force ou le couple du moteur
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Déplacement par contrôle de l ’accélération
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Effet d ’une discontinuité d ’accélération
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Effet d ’une discontinuité d ’accélération
M
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Exemple de commande d ’axe : Module Premium Schneider
Source: Schneider Electric
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ACTIONNEURS MECANIQUES
Exemple de commande d ’axe : Sercos Axis Full Servo Loop
Source: Schneider Electric
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