Définition d'un Automate Programmable Un automate programmable est un appareil dédié au contrôle d’une machine ou d’un processus industriel, constitué de composants électroniques, comportant une mémoire programmable par un utilisateur non informaticien, à l’aide d’un langage adapté. En d’autres termes, un automate programmable est un calculateur logique, ou ordinateur, au jeu d’instructions volontairement réduit, destiné à la conduite et la surveillance en temps réel de processus industriels. Définition d'un Automate Programmable Trois caractérises fondamentales distinguent totalement l’Automate Programmable Industriel (API) des outils informatiques tels que les ordinateurs (PC industriel ou autres): • 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, micro-coupures de la tension d’alimentation, parasites, etc.), • et enfin, sa programmation à partir de langages spécialement développés pour le traitement de fonctions d’automatisme fait en sorte que sa mise en oeuvre et son exploitation ne nécessitent aucune connaissance en informatique. Architecture d'un API La structure interne d'un API peut se représenter comme suit : 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. Un API se compose donc de trois grandes parties : • Le processeur : : appelé unité de traitement, il assure le contrôle de l’ensemble de la machine et effectue les traitement demandés par les instructions du programme. Il réalise les fonctions logiques, temporisation, comptage, calcul. Il comporte un certain nombre de registres (compteur ordinal, registre d’instructions, registre d’adresse, registres de données, accumulateurs, ... Il est connecté aux autres éléments (mémoires, interfaces d’E/S, ...) par l’intermédiaire des bus. • La mémoire : La mémoire centrale est découpée en plusieurs zones : zone mémoire programme ; zone mémoire des données (états des E/S, valeurs des compteurs, temporisations, ...) zone où sont stockées des résultats de calcul utilisées ultérieurement dans le programme ; zone pour les variables internes. • Les interfaces Entrées/sorties: Les interfaces entre le procédé et la logique interne d’un automate sont assurés par des cartes électroniques appelées coupleurs. Ces coupleurs accèdent d’une part au bus, d’autre part au bornier. Celuici se trouve généralement sur la face avant de l’automate, il doit être à la fois protégé et facilement accessible. Les interfaces et les cartes d’Entrées / Sorties Les entrées/sorties TOR (Tout ou Rien) assurent l’intégration directe de l’automate dans son environnement industriel en réalisant la liaison entre le processeur et le processus. Elles ont toutes, de base, une double fonction : • Une fonction d’interface pour la réception et la mise en forme de signaux provenant de l’extérieur (capteurs, boutons poussoirs, etc.) et pour l’émission de signaux vers l’extérieur (commande de pré-actionneurs, de voyants de signalisation, etc.). La conception de ces interfaces avec un isolement galvanique ou un découplage opto-électronique assure la protection de l’automate contre les signaux parasites. • Une fonction de communication pour l’échange des signaux avec l’unité centrale par l’intermédiaire du bus d’entrées/sorties. Cartes d’Entrée Cartes d’Entrée Le fonctionnement de l’interface d’entrée peut être résumé comme suit : Lors de la fermeture du capteur ; La « Led 1 » signale que l’entrée de l’API est actionnée. • La « Led D’ » de l’optocoupleur « Opto 1 » s’éclaire. • Le phototransistor « T’ » de l’optocoupleur « Opto 1 » devient passant. • La tension Vs=0V. Donc lors de l’activation d’une entrée de l’automate, l’interface d’entrée envoie un « 0 » logique à l’unité de traitement et un « 1 » logique lors de l’ouverture du contact du capteur (entrée non actionnée). Carte de sortie Carte de sortie Le fonctionnement de l’interface de sortie peut être résumé comme suit : Lors de commande d’une sortie automate ; L’unité de commande envoi un « 1 » logique (5V).« T1 » devient passant, donc la « Led D’ » s’éclaire. Le photo-transistor « T’ » de l’optocoupleur « Opto1 » devient passant. La « Led1 » s’éclaire. « T2 » devient passant. La bobine « RL1 » devient sous tension et commande la fermeture du contact de la sortie « Q0.1 ». Carte de sortie Donc pour commander un API, l’unité de commande doit envoyer : • Un « 1 » logique pour actionner une sortie API • Un « 0 » logique pour stopper la commande d’une sortie API Les cartes d’entrées/sorties analogiques les signaux analogiques : ils représentent électriquement des grandeurs physiques qui varient d'une manière continue : vitesses, températures, pressions, etc. Ces signaux se présentent typiquement sous les formes suivantes : • tensions haut niveau, par exemple - 10 à + 10 V • tensions bas niveau, par exemple - 50 à + 50 mV • courants, par exemple 0 - 20 mA, 4 - 20 mA Les cartes de sorties analogiques Les cartes de sorties analogiques CONVERSION NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE 1- Définition Un convertisseur numérique analogique ( CNA ) reçoit une information numérique ( mot de n bits ) et le transforme en un niveau analogique ( tension ou courant ). Les cartes de sorties analogiques CONVERSION NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE - pour le nombre N(10) = 0 en entrée, V sera minimale ( V = Vref- ), - pour le nombre N(10) = 𝟐𝒏 -1 en entrée, V sera maximale ( V = Vref+ ). Résolution et Quantum d'un convertisseur La résolution est la plus petite variation qui se répercute sur la sortie analogique à la suite d'un changement d'une unité sur le signal numérique d'entrée. Elle est liée au quantum. 𝐕𝐫𝐞𝐟+ − 𝐕𝐫𝐞𝐟− 𝐐= 𝟐𝒏 − 𝟏 Relation de la tension de sortie V 𝑽 = 𝑽𝒓𝒆𝒇− + 𝑸 ∗ 𝑵(𝟏𝟎) Les cartes de sorties analogiques CONVERSION NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE Il existe différentes méthodes pour convertir une tension numérique en tension analogique. Les principales technologies sont : • Convertisseur à échelle de résistances pondérées • Convertisseur à échelle de résistances R-2R Chaque convertisseur a ses avantages et ses inconvénients. Seul le convertisseur à échelle de résistances R-2R sera étudié Les cartes de sorties analogiques CONVERSION NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE Les cartes de sorties analogiques CONVERSION NUMÉRIQUE-ANALOGIQUE Données • Le courant de référence est 2 mA • L'amplificateur opérationnel est parfait • La tension pleine échelle est - 5V Vs = - R' x I I = I0 + I1 + I2 + I3 Les cartes de sorties analogiques Les cartes de sorties analogiques Les cartes d’entrées analogiques Les cartes d’entrées analogiques Le convertisseur analogique numérique opère par approximations successives. Il réclame autour de 2μs pour effectuer une résolution de 12 bits. Ce délai introduit un retard pur dans l’acquisition et nécessite le maintien à un niveau constant du signal à convertir pendant la conversion. D’ou l’utilisation d’un bloc échantillonneur bloqueur (On l'appelle aussi l'élément de maintien). Ce dernier permet de Maintenir une valeur stable du signal de la voie sélectionnée pendant un court instant à une cadence déterminée (période d’échantillonnage) et donc conservant cette valeur analogique instantanée jusqu’à la fin de la conversion. Bloc échantillonneur bloqueur Échantillonneur: C'est un interrupteur commandé par un signal numérique de fréquence Fe. Le temps τ pendant lequel cet interrupteur est fermé, qui correspond à la durée d'un échantillon, doit être négligeable devant la période d'échantillonnage Te. Bloc échantillonneur bloqueur L'échantillonneur bloqueur Phase d'échantillonnage (phase 1) Phase de maintien (Phase 2) Année universitaire 2019-2020 Bloc échantillonneur bloqueur CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE 1- Définition Un convertisseur analogique numérique ( CAN ) reçoit une information analogique ( tension ou courant ) et la transforme en un code de sortie numérique ( mot de n bits ). - pour la tension V minimale ( V = Vref- ), le nombre en sortie sera N(10) = 0, - pour la tension V maximale ( V = Vref+ ), le nombre en sortie sera N(10) = (𝟐𝒏 -1), CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE Résolution et Quantum d'un convertisseur La résolution est la plus petite variation du signal analogique d'entrée qui provoque un changement d'une unité sur le signal numérique de sortie. Elle est liée au quantum. 𝐕𝐫𝐞𝐟+ − 𝐕𝐫𝐞𝐟− 𝐐= 𝟐𝒏 − 𝟏 CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE Type de convertisseur: Il existe différentes méthodes pour convertir une tension analogique en tension numérique. Les principales technologies sont : • Convertisseur Simple Rampe • Convertisseur Double Rampe • Convertisseur à approximations successives • Convertisseur Flash CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE Principe de fonctionnement des convertisseurs : CAN à approximations successives CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE Exemple: Données: • La tension analogique à convertir est de 5 V • Le CNA est un convertisseur 4 Bits • La tension pleine échelle (𝑽𝒓𝒆𝒇+ − 𝑽𝒓𝒆𝒇− ) du CNA est 7,5 V Calcule de la résolution du CNA: 𝐕𝐫𝐞𝐟+ −𝐕𝐫𝐞𝐟− 𝟕,𝟓 𝐐= =𝟐𝟒 −𝟏 = 𝟓𝟎𝟎𝒎𝑽 𝟐𝐧 −𝟏 CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE Exemple d’autres cartes: Cartes de comptage rapide : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. (signal issu d'un codeur de position). • Exemple: Le module FM 350-1 de SIEMENS • La fréquence d'entrée maximale des signaux de comptage s'élève, en fonction du signal de capteur, jusqu'à 500 kHz. Le module FM 350-1 peut être utilisé pour les tâches suivantes : • Mesure de fréquence • Mesure de vitesse de rotation • Mesure de période • Exemple d’autres cartes: Exemple d’autres cartes: Dans cet exemple, un carton doit être rempli d'un nombre déterminé de pièces. Le FM 350-1 se charge alors du comptage des pièces et du pilotage des deux moteurs assurant le transport des pièces et du carton. Lorsque le carton se trouve en position correcte, la barrière photoélectrique arrête la bande A, l'opération de comptage est déclenchée et le moteur B est mis en route pour la bande B. Lorsque le nombre de pièces programmé se trouve dans le carton, le FM 350-1 arrête le moteur B de la bande B et commande la mise en route du moteur A de la bande A afin d'assurer l'évacuation du carton. L'opération de comptage peut alors redémarrer lorsque le carton suivant atteint la barrière photoélectrique A. Exemple d’autres cartes: • • • • Cartes de régulation PID Cartes de pesage Cartes de communication (RS485, Ethernet ...) Cartes d'entrées / sorties déportées Critères de choix d'un automate Le choix d'un automate programmable est généralement basé sur : - 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 ...).
