Systèmes numériques de contrôle- commande pour la

Systèmesnumériquesdecontrôlecommandepourlamécatronique
INSAStrasbourgspécialitéMécatronique
InformatiqueIndustrielle
LaurentBarbé,LaboratoireICube
InformatiqueIndustrielle
1
Avant-propos
• LaurentBarbé,ingénieurderechercheauLaboratoireICube.Ingénieuren
conceptionducontrôle-commandepourlessystèmesrobotiques
• 4séancesCours/TD(1h30):7/10,14/10,21/10et4/11
• 5séancesSuiviProjet(3h):
• 2groupes:
• Groupe1:étudiantsmaster14/1128/1105/1212/12(MetAM)
• Groupe2:étudiantsnonmaster16/1130/1107/12(MetAM)14/12
• Prérequis:
•
•
•
•
•
Notionsdebaseenrobotique:MGD,MGI,MCD
UtilisateurLabViewetoutilsNationalInstrument
ProgrammationenC
Notionsdelogiquecombinatoire
Baseenautomatiqueetsynthèsedecorrecteur
InformatiqueIndustrielle
2
Objectifs
• Comprendrelesconceptsdebasedel’informatiqueindustrielle
• Architecturematérielle
• Busdecommunication
• Interactionaveclespériphériques
• Utilisationdanslecadred’unsystèmemécatroniquesimple
• Contrôle/commandesurunsystèmepolyarticulé
• Implémentationdeloidecommande
• Commandedessystèmesrobotiques
InformatiqueIndustrielle
3
Plan
1.
2.
3.
4.
5.
Evolutiondesbesoinsdansl’industrie
Présentationdessystèmesnumériquesdecontrôle-commande
Lessystèmesinformatiquestemps-réel
Chaînedecontrôled’unsystèmerobotique
Miseenœuvresurunexempleetprésentationduprojet
InformatiqueIndustrielle
4
L’informatiquedansl’évolutionindustrielle
DEGREDECOMPLEXITEETD’INTEGRATION
1ière
Mécanisation
Machineàvapeur,
Energiehydrauliqueet
fossile
1800
2nd
3ième
Electrification
Productionenmasse,
EnergieElectrique
Ligned’assemblage
4ième
Automatisation
Robotique,
Electronique,Automate
1900
CyberSystèmes
InternetIndustriel,
Réseaux,Production
personnalisée
2000
2016
AutomatiqueInformatique
Internet
InformatiqueIndustrielle
5
Audébutdusiècle....
InformatiqueIndustrielle
6
…aujourd’hui
InformatiqueIndustrielle
7
Exempled’applications:automobile…
Sourcehttp://www.lembarque.com
InformatiqueIndustrielle
8
Exempled’applications:robotiqueIndustrielle
2006:LWRKUKA
1974:T3TheTomorrow
Tool
1973:KUKA6-DDL
1959:Unimate
1981:Premierrobotcommandéen
1949:TMEGoertz
1954:TMEGoertz
1992:PremierrobotDelta
1984:PremierrobotSCARA
1978:ProgrammableUniversal
directdrive
MachineforAssembly
(PUMA)
Automatique
1949
1954
1959
Multiplication
desapplications
Informatique
1973
1974
1978
1981
InformatiqueIndustrielle
1984
1992
Robotique
personnelleet
ludique
2006
2014
1à1,3millionsderobotstravaillent
danslesusinesdanslemonde
9
…autresapplications
InformatiqueIndustrielle
10
Systèmesnumériquesdecontrôle-commande
InformatiqueIndustrielle
11
Qu’est-cequec’est?
Définition:Rôled'unsystèmedecommande
Un système numérique de contrôle-commande (SNCC, ou DCS pour Distributed Control
System) est une structure programmable utilisée pour le pilotage d'un procédé industriel. Un
SNCC est doté d'une interface homme-machine pour la supervision et d'un réseau de
communication numérique pour l'interface avec les différents éléments de son
environnement tels que, par exemple, les capteurs ou les autres cartes de commande
associées à des sous-systèmes.
Capteurs
Systèmesnumériques
Actionneurs
Compteurs
InformatiqueIndustrielle
12
Systèmedecontrôle-commande
Entrées
Systèmeinformatique
Mesures
interruptions
Capteurs
Systèmede
contrôle-commande
Procédéexterneà
Procédéexterne
piloter
Actionneurs
Commandes
interruptions
contrôle-commande
Sorties
Un système de
reçoit des informations sur l’état du
procédé externe, traite ces données et, en fonction du résultat, évalue une
décision qui agit sur cet environnement extérieur afin d’assurer un état stable
SystèmesTempsréeldecontrôle-commande,F.CottetetE.Grolleau,DUNODEdition
InformatiqueIndustrielle
13
Lematérield’unSNCC
InformatiqueIndustrielle
14
Processeur
Processeur(UnitéCentraledeTraitement– CPUCentralProcessing Unit)
Horloge
RAM
MémoirePrincipale
Processeur
Ecran
Unitéded’Entrées/Sorties
Clavier/Souris
Décodeur
Registre
Instruction
Compteur
Unitédecommande
Séquenceur
ordinal
Informations
Codéesen
binaires
U.A.L
Unitédetraitement
Registres
(U.A.L)
Généraux
InformatiqueIndustrielle
Codes
instructions
Programme
Busde
données
Données
binaires
Busd’adresse
Données
15
Processeur
Exécutiondesinstructionsparunprocesseur
• Développerà unprogrammequ’ilacompilé
• Leprogrammeestsousformed’instructionsmachineetaumomentdel’exécution
lesinstructionsetlesdonnéessontchargésenmémoirecentrale.
• Lecompteurordinalestchargéavecl’adresseenMémoirecentraledumot
contenantlapremièreinstructionduprogramme.
• L’exécutionduprogrammesefaitinstructionparinstruction,souslepilotagede
l’unitédecommandeduprocesseur.
• Letraitementd’uneinstructionparleprocesseursedécoupeentroisétapes:
• FETCH:l’instructionestlueenmémoirecentraleetcopiéedansleregistre
d’instructionduprocesseur;
• DECODAGE:l’instructionestreconnueparl’unitédedécodage
• EXECUTION:l’opérationcorrespondantàl’instructionestréalisée
InformatiqueIndustrielle
16
Processeur
Fonctionnement(exemplesurprocesseurtypePENTIUM)
Programmeenlangagehautniveau
(indépendantdelamachine)
Si i > j alors
i:= i-1
Sinon i := i+5
Fin si
CodeMachine
A1E4A64000
A1 E4 A6 40 00
Compilation
8B 0D E0 A6 Instruction
40 00
CODOPspécifiqueàla
83 C4 10
machine
3B C1
Compteurordinalexécutelaportion
deprogrammeàl’adresse
0x0040101E
Programmeenlangageassembleur
(dépandant delamachine)
7E 03
48
EB 03
InformatiqueIndustrielle
mov
mov
add
cmp
jle
dec
jmp
add
mov
eax,dword ptr
ecx,dword ptr
esp,10h
eax,ecx
401033h
eax
401036h
eax,5
dword ptr
17
Processeur
Fonctionnement(exemplesurprocesseurtypePENTIUM)
Programmeenlangagehautniveau
(indépendantdelamachine)
Si i > j alors
i:= i-1
Sinon i := i+5
Fin si
Compilation
Compteurordinalexécutelaportion
deprogrammeàl’adresse
0x00401023
0x0040102C
0x00401029
0x0040102E
CodeMachine
A1
8B
83
3B
7E
48
EB
E4 A6 40 00
0D E0 A6 40 00
C4 10
C1
03
03
InformatiqueIndustrielle
Programmeenlangageassembleur
(dépandant delamachine)
mov
mov
add
cmp
jle
dec
jmp
add
mov
eax,dword ptr
ecx,dword ptr
esp,10h
eax,ecx
401033h
eax
401036h
eax,5
dword ptr
18
Processeur
Fonctionnement(Notionscomplémentaires)
• DeuxgrandesfamillesCISC(Complex InstructionSetComputer)ouRISC(Reduced
InstructionSetComputer)
• AlgèbredeBoole(1815-1864):
• Algèbrepermettantderéaliserdesopérationsbooléennessurdesbinaires(Vrai
ouFaux)
• AND,OR,XORNOT,NAND,NOR,EGALIDENTITEetc.
• Représentationdel’information
• Binaireà Octaleà hexadécimale
• Nombreentierspositifs(surbase8bits(char)16bits(int)32bits(long))
• Opérationsarithmétiquesetlogiques
• CodeASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)
• Nombreàvirgulesflottantes(co-processeur dédié)
InformatiqueIndustrielle
19
Microcontrôleur
CircuitimpriméquiIntègreunmaximum
defonctionnalitéspourfaciliterlamise
enœuvre.
MicrocontrôleurAVR32bits
InformatiqueIndustrielle
20
Microcontrôleur
Avantages
Cartededéveloppement
etd’interfaçageavec
l’environnementextérieur
Coutréduit
Encombrementmoindre
Fiabilité
Miseenœuvreplussimple
Consommationplusfaible
Attention
NepasconfondrePCet
microcontrôleur
InformatiqueIndustrielle
21
Nano-ordinateur
ENEVOLUTIONCONSTANTE
Raspberry Pi
- ProcesseurARMArchitectures
matériellesRISC32bits
- Systèmed’exploitationLINUX
- NombreusesEntrées-Sorties
Arduino
- MicrocontrôleurAtmel AVR
- Programmationmultiplateforme
- NombreusesEntrées-Sorties
InformatiqueIndustrielle
22
Lesentrées/sorties
CommunicationProcesseurEntrées/Sorties
• Deuxpossibilitéspourleprocesseur:
1. Attenteactiveoupolling
• Leprocesseurvérifieenpermanencecequiarrivesuruneentrée,sans
savoirsilesdonnéessontintéressantes.
• Lorsqueleprocesseurreçoitlesdonnées,ileffectueletraitementet
retourneenattenteactive.
• Leprocesseuresttoujours« busy »
2. Interruptions
• Quandlesystèmeexterneestprêtetqu’ilabesoinduprocesseur,il
l’informeparunsignald’interruption
• Selonlaprioritédelatâche,leprocesseurarrêtel’exécutioncourante
InformatiqueIndustrielle
23
Lesentrées/sorties
CommunicationProcesseuraveclesentrées/Sorties
Interruption
Tant que (1)
Etat du périphérique
Si état == vrai
Exécution routine
Fin Si
Exécution_normale
Fin tant que
Exécution_normale
Attenteactive(Polling)
InformatiqueIndustrielle
Signal
Interruption
Instructionk
Exécutionroutine
interruption
Instructionk+1
INTERRUPTIONSLOGICIELLES
PEUVENTETREBLOQUANTES
24
Busd’entrées/Sorties
Slotsmémoires
Générateur
d’horloge
PortSérie
PortParallèle
LecteurCarte
Clavier
Souris
Southbridge
(contrôleur
d’entrées/sorties)
SuperI/O
IDE
SATA
USB
Ethernet
Mémoire
CMOS
Bus
interne
Bus
PCI
Processeur
Bus
AGPPCIe
Northbridge
(contrôleur
mémoire)
Câbleset
ports
externes
Bus
PCI
Bus
mémoire
Chipset
Contrôleur
graphique
intégré
ROMflash
(BIOS)
SlotsPCI
SourceWikipédia
SlotsAGPouPICe
InformatiqueIndustrielle
25
Lesbusd’entrées/Sorties
Classification
ISA/EISA
Industry StandardArchitecture
8Mo/s
PCI
Peripheral ComponentInterconnect (1990)
264Mo/s
AGP
Advanced Graphic Port
2,1Go/s
ATA/IDE
AdvancedTechnology Attachment/IntegratedDriveElectronics
133Mo/s
SCSI
SmallComputerSystemInterface
320Mo/s
PCIe
Peripheral ComponentInterconnect Express
8Go/s
SATA
Advanced Graphic Port
600Mo/s
SCSIsérie
SmallComputerSystemInterface
USB
UniversalSerialBus
1,2Go/s(3.1)
IEEE1394
Firewire
400Mo/s
Ethernet
BUSINTERNE
PARALLELE
BUSINTERNE
SERIE
BUSEXTERNE
>10Go/s
InformatiqueIndustrielle
26
Lestypesdesignaux
ENTREESANALOGIQUES
Représententlavariationd’unegrandeur
physiqueentensionélectrique
Pré-conditionnement
A
Capteur
detempérature
A
Capteur
deposition
(potentiomètre)
A
Capteur
depression
4-20mA
-10/+10V
BusDonnées
0/5V
C.A.N.
Codage
Quantification
Echantillonn
age
temporel
InformatiqueIndustrielle
27
Lestypesdesignaux
SORTIESANALOGIQUES
Représententlavariationd’une
grandeurphysiqueentension
électrique
A
Servovanne
4-20mA
-10/+10V
BusDonnées
A
Moteur
C.N.A
InformatiqueIndustrielle
28
Lestypesdesignaux
ENTREESNUMERIQUES
Signalquivariedefaçondiscrète
dansletemps.C’estunesuccession
d’étathautoud’étatbas
BusDonnées
Codeurincrémental
24V
InformatiqueIndustrielle
ToutOuRien(TOR)
29
Lestypesdesignaux
SORTIESNUMERIQUES
Signalquivariedefaçondiscrète
dansletemps.C’estunesuccession
d’étathautoud’étatbas
5V
BusDonnées
0V
InformatiqueIndustrielle
30
Lestypesdesignaux
Capteur
deposition
(potentiomètre)
A
Capteur
detempérature
Atelier2
A
ContrôleurDigital
MoteurC.C
+Puissance
Atelier1
Position
ContrôleurDigital
MoteurC.C
+Puissance
Position
Supervision
Bus
Données
BUSDETERRAIN
ContrôleurDigital
MoteurC.C
+Puissance
Position
Atelier3
InformatiqueIndustrielle
31