Guide des solutions d'automatisme - Schneider Electric

Publications฀techniques
Guide
des solutions
d’automatisme
2008

La version précédente de cet ouvrage
a été publiée dans les années 80
et remise à jour en 1994 sous le nom
« Les aspects pratiques du contrôle
industriel », également connu sous
le terme de « Schémathèque ».
Au cours des 20 dernières années,
le monde des automatismes
industriels a connu d’importantes
évolutions. Ces changements
ont deux origines principales :
les tendances du marché et
les avancées technologiques.
Avant
Propos

Marché et clients
Afin de répondre à la demande croissante, de faire face aux impor-
tantes pressions sur les coûts et de défendre leurs avantages
concurrentiels, les fabricants sont contraints de travailler sur des
cycles de production de plus en plus courts et de renouveler ou
faire évoluer fréquemment leurs produits. Ils se concentrent sur
deux principes fondamentaux : la réduction permanente des coûts
et l’innovation dans les produits principaux. Pour ces raisons, de
plus en plus d’industriels se sont surtout recentrés sur le marché
en aval et ont externalisé les opérations non principales. En outre,
ils ont intensifié la demande d’adaptation et de flexibilité du
processus de production. Au cours des 20 dernières années, nous
avons constaté une tendance favorisant l’externalisation de la
conception, de la gestion de projets et de la réalisation vers des
bureaux de réalisation d’ensembles, des intégrateurs de systèmes
et des ensembliers (OEM). Ces fournisseurs d’automatismes sont
devenus les partenaires incontournables du marché externalisé et
se sont spécialisés dans un nombre limité d’applications afin
d’être des partenaires crédibles prêts à assumer leur part de
responsabilité et de risque.
Dans cette nouvelle configuration à grande échelle, les construc-
teurs de machines ont souvent été en mesure d’agrandir leur
périmètre afin de devenir les détenteurs principaux du savoir-faire
dans de nombreux domaines. Comme leur rôle dans la technique
s’approfondit et que la complexité des machines augmente, les
constructeurs de machines sont amenés à élargir l’étendue de
leurs compétences principales.
Le temps d’arrivée sur le marché des équipements produits par
les constructeurs de machines se réduit pour se conformer aux
évolutions des exigences des utilisateurs finaux. Cette pression
sur la rapidité se reporte sur les fournisseurs des constructeurs de
machines tels que les tableautiers qui fournissent de plus en plus
de solutions globales.
D’autres acteurs, tels que les bureaux de réalisation d’ensembles
et les intégrateurs de systèmes, ont suivi la même tendance.
La valeur essentielle générée par les intégrateurs de systèmes est
la spécification du système (choisir la solution en accord avec les
caractéristiques et le rendement à réaliser dans un cas particulier).
Ils ont une position neutre sur la sélection de la marque. A la suite
de l’externalisation des activités techniques par les fabricants,
les bureaux de réalisation d’ensembles se sont vus déléguer
un pouvoir de spécification accru pour les produits de contrôle
industriel et d’automatisme.
Ces industriels, en se recentrant sur leurs activités principales, ont
fait reposer une double responsabilité sur les fournisseurs :
la réduction du coût total de la propriété et la garantie de qualité
de la prestation. En contrepartie, ils les laissent décider de la
solution. Le pouvoir de prescription ayant été transféré, les
intermédiaires préconisent souvent des solutions globales plutôt
que des produits séparés.
Les bureaux de réalisation d’ensembles, intégrateurs de
systèmes, constructeurs de machines et tableautiers, devant
prendre de plus en plus de responsabilités pour fournir des
solutions, exigent que leurs fournisseurs de produits fassent
preuve de plus en plus de compétence vis-à-vis des applications
en plus de la compétence déjà demandée concernant les
produits.
Technologie
L’évolution de la technologie a pesé sur le marché des auto-
matismes et du contrôle pour apporter la réponse aux besoins
prioritaires de la clientèle :
nRéduction du temps d’arrivée sur le marché.
nRéduction du coût d’acquisition.
nOptimisation de la reconstruction des opérations.
nAccroissement de la flexibilité (changement rapide du
processus de fabrication).
nAccès à l’information tant pour les besoins du système
d’exécution de la fabrication que pour la maintenance, afin
d’optimiser les coûts de production et de réduire les durées des
arrêts.
Les préoccupations ci-dessus se sont traduites en une exigence
de techniques de développement plus rapides (approche
fonctionnelle) basée sur des appareils plus génériques.
L’approche traditionnelle hiérarchique et centralisée (Computer
Integrated Manufacturing – CIM – dans un processus tout ou rien
et des systèmes globaux fonctionnant en continu) de la fin des
années 1990 est devenue obsolète. Elle a été remplacée par
une architecture plus décentralisée, distribuant les fonctions
d’automatisme (traitement, contrôle de puissance, sécurité) de
façon à ce qu’ils s’adaptent mieux et de manière plus autonome
aux fonctions du processus local.
La philosophie « web » a suivi une pénétration « de haut en bas »
en capitalisant sur la généralisation de l’Ethernet et du protocole
TCP/IPà tout d’abord en s’intégrant aux grands automates
complexes, puis en migrant progressivement des automates vers
des « dispositifs intelligents ». L’alliance de l’Ethernet et
des technologies web a permis une interconnexion directe et
transparente des systèmes de contrôle aux niveaux de l’exécution
de la fabrication et de l’ERP.
Simultanément, les dispositifs (actionneurs, capteurs, blocs E/S,
variateurs de vitesse, etc.) ont suivi une évolution de « bas en haut »
en intégrant des fonctions de communication et des capacités de
traitement local, partageant progressivement des informations
entre eux pour offrir de nouvelles possibilités. Ces dispositifs
évoluent progressivement vers le concept de « dispositifs
intelligents ».
Parallèlement, les normes réseau ont finalement été largement
acceptées, conduisant, de facto, à un nombre très réduit de
normes. Aujourd’hui une très importante proportion de
composants est directement connectable à un réseau ayant des
capacités de large bande. Ceci découle de l’effet combiné des
technologies web, de la rationalisation des normes réseau, de la
rapide chute des prix et de la pénétration de l’électronique dans
les appareils électromécaniques.
Au cours des 10 dernières années, les outils d’automatisme et
les langages de programmation ont progressé de façon radicale,
passant du développement logiciel propre au matériel pour
des logiciels de programmation standardisés. Les langages de pro-
grammation des automates ont progressivement évolué vers une
approche fonctionnelle réduisant le temps de développement du
code, augmentant la réutilisabilité des fonctions préprogrammées
et le partage des objets entre utilisateurs de multifonctions.
Les informations générées par différents outils de programmation
sont accessibles à partir d’un outil collaboratif et partagent une base
de données commune, ce qui améliore radicalement la gestion de
l’information (paramètres, variables, etc).
Conclusion
Schneider Electric, jouant son rôle de leader du marché des auto-
matismes, doit relever ces défis commerciaux et technologiques
tout en protégeant les investissements passés de sa clientèle qui
attend en retour la pérennité du service et de la compatibilité.
Afin de satisfaire la demande croissante de solutions de la part de
ses clients et de tenir compte des évolutions technologiques,
Schneider Electric a conçu une « Approche solutions » basée sur
des architectures d’automatismes découlant de son offre réputée
de produits d’automatismes.. Le but de l’approche solutions de
Schneider Electric est de fournir, aux constructeurs de machines et
aux intégrateurs de systèmes en particulier, des architectures d’au-
tomatismes entièrement testées et validées, afin qu’ils puissent les
adapter pour définir la solution appropriée recherchée. Cet ouvrage
est une présentation pratique de cette approche solutions.

Sommaire généralGuide des solutions
d’automatisme
1Guide de choix 8
2Alimentation électrique 28
3Moteurs et charges 36
4Démarrage et protection des moteurs 64
5Départs moteurs 96
6Acquisition de données : détection 134
7Sécurité des personnes et des biens 164
8Dialogue homme/machine 188
9Réseaux industriels 202
10 Traitement de données et logiciel 236
11 Mise en œuvre 260
12 Eco-Conception 282
MMemento 296
5

Sommaire détailléGuide des solutions
d’automatisme
1 Guide de choix 8
1.1 Introduction 10
1.2 L’équipement d’automatisme 10
1.3 Les architectures d’automatisme 12
1.4 Définition des architectures 14
1.5 Les choix des équipements d’automatisme 17
2 Alimentation électrique 28
2.1 Introduction 30
2.2 L’alimentation électrique des machines 30
2.3 Les normes et habitudes 30
2.4 Les fonctions de l’alimentation électrique 32
2.5 L’alimentation du circuit de contrôle 33
3 Moteurs et charges 36
3.1 Les moteurs asynchrones triphasés 38
3.2 Les moteurs monophasés 42
3.3 Les moteurs synchrones 43
3.4 Les moteurs à courant continu 46
3.5 L’exploitation des moteurs asynchrones triphasés 48
3.6 Comparaison des différents types de moteurs 52
3.7 Les différents types de charges 52
3.8 Les vannes et vérins 59
4 Démarrage et protection des moteurs 64
4.1 Démarrage des moteurs à induction 66
4.2 Freinage électrique des moteurs asynchrones triphasés 73
4.3 Les démarreurs multifonctions 78
4.4 La protection des moteurs 80
4.5 Pertes et échauffement dans les moteurs 81
4.6 Les différentes causes de défauts et leurs conséquences 81
4.7 Les fonctions et les produits de protection 87
5Départs moteurs 96
5.1 Généralités 98
5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs 98
5.3 Une fonction complémentaire : la communication 101
5.4 Départs-moteurs et coordination 102
5.5 Les variateurs de vitesse 105
5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques 110
5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu 114
5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone 116
5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone 123
5.10 Moto-variateurs synchrones 125
5.11 Moto-variateurs pas-à-pas 126
5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse 127
5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique 129
5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance 131
5.15 Grille de choix des départs moteurs 132
6Acquisition de données : détection 134
6.1 Introduction 136
6.2 Les interrupteurs de position électromécaniques 137
6.3 Les détecteurs de proximité inductifs 138
6.4 Les détecteurs de proximité capacitifs 140
6.5 Les détecteurs photoélectriques 142
6.6 Les détecteurs à ultrasons 144
6.7 La détection RFID -Radio Frequency IDentification- 146
6.8 La vision 149
6.9 Les codeurs optiques 153
6.10 Les pressostats et vacuostats 158
6.11 Conclusion 161
6.12 Guide de choix des différentes technologies 162
6