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اﻟﺟﻣـﮭورﯾــﺔ اﻟﺟزاﺋرﯾــﺔ اﻟدﯾﻣﻘراطﯾــﺔ اﻟﺷﻌﺑﯾــﺔ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE وزارة اﻟﺗﻌﻠﯾــم اﻟﻌﺎﻟــﻲ و اﻟﺑﺣــث اﻟﻌﻠﻣـﻲ UNIVERSITE CONSTANTINE I 1 ﺟﺎﻣﻌـــــــﺔ ﻗﺳﻧطﯾﻧـــــــــﺔ FACULTE DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE ﻛﻠـﯾــﺔ ﻋﻠوم اﻟﺗﻛﻧوﻟوﺟﯾﺎ اﻟﻛﺗروﺗﻘﻧﻲ: ﻗﺴﻢ ……………………………………………………………………….………………………………………………… N° d’ordre : …. Série : …. Mémoire Présenté en vue de l’obtention du Diplôme de Master Spécialité Electrotechnique Option Gestion et Transformation de l’Energie Electrique Thème ETUDE ET REALISATION DE SYSTEMES AUTOMATISES DIDACTIQUES MISE EN ŒUVRE DE L’AUTOMATE SCHNEIDER TSX37 Présenté par: BOUBAAYA NADJIB Encadreur: PR. BENALLA HOCINE Promotion 2013/2014 Dédicaces A mes parents qui m'ont élevé entre chaleur et tendresse A mes grands-parents qui m'ont appris droiture et justesse A tous mes chers frères et sœurs A mes tantes et mes oncles A tous mes amis Je dédie ce travail Nadjib Remerciements Je remercie Allah, le tout puissant, le miséricordieux, de m’avoir appris ce que j’ignorais, de m’avoir donné la santé et tout dont je nécessitais pour l’accomplissement de ce mémoire. Je tiens à remercier mes chers parents. J’adresse mes vifs remerciements à Monsieur BENALLA HOCINE, professeur à l'Université Constantine 1 d’avoir accepté de diriger ce travail et pour ses nombreux conseils judicieux, qu’il trouve ici ma sincère gratitude. Puis ma profonde gratitude va à Monsieur REZGUI SALAH EDDINE Maitre-assistant pour avoir co-dirigé ce travail, et pour la confiance. Mes vifs remerciements vont aussi aux membres de jury pour avoir accepté d'examiner ce travail. Je tiens à remercier tous les enseignants du département d'électrotechnique, et spécialement mes professeurs de la spécialité : BENTOUNSI, LABED, BELAARBI, NABTI, DJEGHLOUD, BOUCHKARA, ABED, REBBAH, BELLAHRACH et BELAKEHAL. Enfin je remercie tous ceux qui de près ou de loin ont participé à l'élaboration de ce travail. Merci Résumé L’automatisation des systèmes devient de plus en plus une nécessité. La contribution qu’apporte ce mémoire consiste en la mise en œuvre de systèmes automatisés pilotés par un automate. Au départ, on a établi une présentation générale des principales caractéristiques de l’automate utilisé (TSX 3721). En suite, on a étudié et validé pratiquement l’automatisation de quelques systèmes. Dans une dernière étape, et afin d’améliorer le fonctionnement d’un système parmi les systèmes automatisés étudiés, on a intégré un variateur de vitesse, ce dernier est commandé par l’automate. Mots clés : API, systèmes automatisés, grafcet, variateur de vitesse. Abstract The automation of the systems becomes more and more necessary. The contribution which makes this thesis consists of the implementation of automated systems controlled by an automat. First of all, we have presented the main features of the used automat (TSX 3721). Then, we have practically studied and validated the automation of some systems. Finally, and in order to improve the operation of one system from the studied systems, we have integrated a speed controller, this last one is drived by the automat. Keywords: PLC, automated systems, grafcet, speed controller. ﻣﻠﺨﺺ ﺗﻤﺜﻞ ھﺬه اﻟﻤﺬﻛﺮة ﻣﺴﺎھﻤﺔ ﻓﻲ اﺳﺘﻌﻤﺎل اﻟﻤﺒﺮﻣﺞ اﻵﻟﻲ.إن اﻟﺘﺤﻜﻢ اﻵﻟﻲ ﻟﻸﻧﻈﻤﺔ أﺻﺒﺢ ﺿﺮورة ﺣﺘﻤﯿﺔ ﻗﻤﻨﺎ ﺑﻌﺮض اﻟﺨﺼﺎﺋﺺ اﻷﺳﺎﺳﯿﺔ اﻟﻤﺒﺮﻣﺞ اﻵﻟﻲ اﻟﻤﺴﺘﻌﻤﻞ، ﻓﻲ اﻟﺒﺪاﯾﺔ.ﻟﺠﻌﻞ اﻷﻧﻈﻤﺔ ﺗﺸﺘﻐﻞ ﺑﺼﻔﺔ آﻟﯿﺔ . (TSX 3721) و ﺑﻐﺮض، ﻓﻲ اﻷﺧﯿﺮ.ﺑﻌﺪ ذﻟﻚ اﻧﺘﻘﻠﻨﺎ إﻟﻰ اﻟﺪراﺳﺔ اﻟﻌﻤﻠﯿﺔ و اﻹﺛﺒﺎت اﻟﺘﺠﺮﯾﺒﻲ ﻟﺒﻌﺾ اﻷﻧﻈﻤﺔ اﻵﻟﯿﺔ . ھﺬا اﻷﺧﯿﺮ ﻣﺘﺤﻜﻢ ﻓﯿﮫ ﺑﻮاﺳﻄﺔ ﻣﺒﺮﻣﺞ آﻟﻲ، أدرﺟﻨﺎ ﻣﻐﯿﺮ ﺳﺮﻋﺔ،ﺗﺤﺴﯿﻦ أداء ﻧﻈﺎم ﻣﻦ اﻷﻧﻈﻤﺔ اﻵﻟﯿﺔ اﻟﻤﺪروﺳﺔ . ﻣﻐﯾر ﺳرﻋﺔ، grafcet ، ﻧظﺎم آﻟﻲ، ﻣﺑرﻣﺞ آﻟﻲ: ﻛﻠﻣﺎت ﻣﻔﺗﺎﺣﯾﺔ Sommaire Introduction générale ...................................................................................................................... 1 Chapitre I L’automate programmable industriel I.1 Introduction ............................................................................................................................... 2 I.2 Historique .................................................................................................................................. 2 I.3 Définition .................................................................................................................................. 2 I.4 Fonction..................................................................................................................................... 3 I.5 Architecture des API .................................................................................................................. 3 I.5.1 Bloc d’alimentation...................................................................................................... 4 I.5.2 Unité centrale de traitement ou le processeur ............................................................... 4 I.5.3 La mémoire.................................................................................................................. 4 I.5.4 Les interfaces d’entrée/sorties ...................................................................................... 5 Interfaces d’entrées .......................................................................................................... 5 Interfaces sorties .............................................................................................................. 6 I.7. Déscription physique de l’automate TSX 3721......................................................................... 6 I.8 Bloc de visualisation .................................................................................................................. 8 I.9.Visualisation de l’état des entrées sorties ................................................................................. 10 I.10 Principe de fonctionnement .................................................................................................... 10 I.11 Langage de programmation .................................................................................................... 11 I.11.1 LADDER ................................................................................................................. 11 I.11.2 GRAFCET ............................................................................................................... 11 ü PRL ......................................................................................................................... 11 ü Chart ........................................................................................................................ 11 ü POST ....................................................................................................................... 11 I.12 Classification des API ............................................................................................................ 12 I.13 Critères de choix d’un automate ............................................................................................. 12 I.14 Conclusion ............................................................................................................................. 12 chapitre II introduction aux systèmes automatisés II.1 Introduction ............................................................................................................................ 13 II.2 Définition ............................................................................................................................... 13 II.3 Structure d’un système automatisé ......................................................................................... 13 II.3. 1 La partie opérative ................................................................................................... 13 II.3.2 La partie commande ................................................................................................ 13 II.3.3 La partie dialogue .................................................................................................... 14 II.4 Les avantages et les inconvénients de l’automatisation des systèmes ..................................... 14 II.4.1 Les avantages ........................................................................................................... 14 II.4.2 Les inconvénients ..................................................................................................... 15 II.5 outil de description d’un système automatisée........................................................................ 15 II.6 Exemples d’application .......................................................................................................... 15 II.6.1Séquence simultanée ou parallélisme ......................................................................... 16 ü Description du cahier des charges ......................................................................... 16 v Cycle de remplissage ............................................................................................ 16 v Cycle de bouchage ............................................................................................... 17 Ø grafcet point de vue partie opérative ..................................................................... 18 Ø grafcet point de vue partie commande................................................................... 18 Ø Utilisation des écrans d’exploitation ..................................................................... 19 II.6.2 Sélection d’une séquence ..................................................................................................... 19 II.6.2.1 Fonctionnement souhaité du carrefour routier .................................................................. 19 Ø Mode normale ...................................................................................................... 19 Ø Mode nuit : ........................................................................................................... 20 Ø Programmation en GRAFCET .............................................................................. 20 Ø grafcet point de vue partie opérative : ................................................................... 21 Ø grafcet point de vue partie commande................................................................... 21 II.6.2.4.Présentation de la maquette.................................................................................... 22 II.6.2 Automatisation d’une Station de pompage ........................................................................... 22 Ø Description du fonctionnement ................................................................................ 22 Ø Circuit de puissance ................................................................................................. 24 Ø Entrées de l’automate ............................................................................................... 24 Ø Sorties de l’automate................................................................................................ 24 II.6.3.2 grafcet fonctionnel de la station ............................................................................. 25 Ø grafcet point de vue opérative ............................................................................... 25 Ø grafcet point de vue commande ............................................................................ 26 II.6.3.3 Présentation des matériels ................................................................................................ 26 II.7 CONCLUSION ..................................................................................................................... 27 Chapitre III Étude et réalisation d'un système automatisé industriel III.1 Introduction ........................................................................................................................... 28 III.2 Description du fonctionnement .............................................................................................. 28 III.3 Synoptique du système .......................................................................................................... 29 v Principe de déchargement : ...................................................................................... 29 III.4.Adressage des entrées /sorties................................................................................................ 30 III.5.Circuit de puissance .............................................................................................................. 31 III.6 Schéma des entrées de l’automate......................................................................................... 32 III.7 Schéma des sorties de l’automate ......................................................................................... 32 III.8 grafcet fonctionnel du système .............................................................................................. 33 Ø grafcet point de vue partie opérative ......................................................................... 33 Ø grafcet point de vue partie commande ...................................................................... 34 III.9 Choix des constituants du circuit de puissance ....................................................................... 35 III.9.1 Le Sectionneur ........................................................................................................ 35 Critères de choix d’un sectionneur ..................................................................................... 35 III.9.2 Fusibles ................................................................................................................... 35 III.9.3 Le relais thermique .................................................................................................. 35 Critères de choix d’un relais thermique .............................................................................. 35 III.9.4 Le contacteur........................................................................................................... 36 Critères de choix d’un contacteur ....................................................................................... 36 III.10 Caractéristiques des équipements ........................................................................................ 36 Ø Alimentation ............................................................................................................ 36 Ø Actionneurs ............................................................................................................. 36 Ø Les pré-actionneurs ................................................................................................. 37 III.11 Dimensionnement des composants ...................................................................................... 37 III.11.1 Choix des relais ..................................................................................................... 37 III.11.2 Choix des contacteurs ............................................................................................ 38 III.11.3 Choix du sectionneur ............................................................................................. 38 III.13 Insertion du variateur de vitesse .......................................................................................... 39 Ø grafcet point de vue opérative .................................................................................. 41 Ø grafcet point de vue commande ................................................................................ 41 Conclusion .................................................................................................................................... 43 Conclusion générale ...................................................................................................................... 44 Perspectives .................................................................................................................................. 44 Annexe ......................................................................................................................................... 45 Références bibliographiques ........................................................................................................ 47 Liste des figures Figure I.1: architecture interne d’un API. ............................................................................................. 4 Figure I.2: description de l’automate. ................................................................................................... 7 Figure I.3:bloc de visualisation. ........................................................................................................... 8 Figure I.4:visualisation de l’état des’E/S. .............................................................................................10 Figure II.1: structure d’un système automatisé.....................................................................................14 Figure II.2 : chaine de remplissage et bouchage des bidons d’huile. .....................................................16 Figure II.3 : grafcet point de vue partie opérative. ...............................................................................18 Figure II.4 : grafcet point de vue partie commande. .............................................................................18 Figure II.5 : L’écran d’exploitation du système sous PL7 PRO. ...........................................................19 Figure II.6 : grafcet point de vue partie opérative. ...............................................................................21 Figure II.7 : grafcet point de vue partie commande. .............................................................................21 Figure II.8 : la maquette didactique. ....................................................................................................22 Figure II.9 : représentation de la station de pompage. ..........................................................................23 Figure II.10 : schéma de puissance. .....................................................................................................24 Figure II.11:schéma des entrées automate. ..........................................................................................24 Figure II.12:schéma des sorties automate. ...........................................................................................24 Figure II.13: grafcet point de vue opérative. ........................................................................................25 Figure II.14: grafcet point de vue commande. ......................................................................................26 Figure II.15 : montage didactique de la station de pompage…………………………………………. 27 Figure III.2 : synoptique du système. ...................................................................................................29 Figure III.3: Pupitre de commande. .....................................................................................................29 Figure III.4: schéma de puissance........................................................................................................31 Figure III.5 : schéma des entrées de l’API. .........................................................................................32 Figure III.6: schéma des sorties de l’API. ...........................................................................................32 Figure III.7:grafcet point de vue opérative. ..........................................................................................33 Figure III.8: grafcet point de vue commande. ......................................................................................34 Figure III.9: grafcet point de vue opérative. .........................................................................................41 Figure III.10: grafcet point de vue commande. ....................................................................................41 Figure III.11: schéma de principe. .......................................................................................................42 Figure III.12: le banc d’essai. ..............................................................................................................42 Figure III.13: la vitesse relevée par cassy-lab. .....................................................................................43 Liste des tableaux Tableau I.1:caractéristiques du module d’entrées DEZ 32D2. ............................................................... 5 Tableau I.2: Caractéristiques du module d’entrées AEZ414 [5]. ........................................................... 5 Tableau I.3: Caractéristiques du module des sorties DSZ 08R5 [5]. ...................................................... 6 Tableau I. 4 : les voyants de signalisation. ............................................................................................ 8 Tableau I.5: les voyants du bloc de visualisation. .................................................................................. 9 Tableau II. 1: Affectation des entrées. .................................................................................................17 Tableau II.2: Affectation des sorties. ...................................................................................................17 Tableau II.3: Affectation des sorties. ...................................................................................................20 Tableau II.4 : Affectation des entrées. .................................................................................................20 Tableau II. 5: Affectation des entrées. .................................................................................................25 Tableau II.6: Affectation des sorties. ...................................................................................................25 Tableau III. 1: les entrées de l’API. .....................................................................................................30 Tableau III.2: les sorties de l’API. .......................................................................................................31 Tableau III.3 : les entrées de l’API ......................................................................................................40 Tableau III. 4 : les entrées de l’API…………………………………………………………………….40 Notation et Symboles API : Automate programmable industriel. PLC : programmable logic Controller. IHM : interfaces homme machine. U.C.T : unité centrale de traitement. RAM : Random Accès Memory. ROM : Read Only Memory. TOR : Tout ou Rien. EPROM : ERASABLE PROGRAMMABLE MEMORY. PO : partie opérative. PC : partie de commande. S.A : système automatisé. GRAFCET : graphe fonctionnel de commande étape transition. P: la puissance active. s1: service de marche (service continu). n: la vitesse de rotation (tr/min). U: la tension entre deux phases (v). Introduction générale Introduction générale Dans un monde industriel en pleine évolution où la compétitivité est l'objectif essentiel, l'automatisation est une nécessité. Autrefois réservés aux applications spécialisées exigeant des volumes de traitement importants, les automates programmables sont maintenant opérationnels dans de nombreux domaines. Ils occupent une place importante dans les technologies d’automatisation des installations industrielles. Son apparition pour la première fois fut aux Etats-Unis dans le secteur de l’industrie automobile, ces industries étaient commandées par des armoires de commande à relais, qui sont complexes et difficiles à modifier. L’objectif principal de notre travail est : - la mise en œuvre d’un automate programmable, en l’appliquant à des systèmes automatiques. - l’étude et la réalisation d’un système automatisé didactique. - l’étude de l’automatisation d’un système industriel et le câblage du circuit de puissance et de commande, enfin, en intégrant un variateur de vitesse dans ce système. Pour y répondre, nous avons réparti ce travail en trois chapitres : - Le premier chapitre, présentera d’une façon générale l’automate programmable, ainsi que les caractéristiques de ses modules. - Le deuxième chapitre comportera l’architecture, l’outil de description des systèmes automatisés et expliquera le fonctionnement et l’analyse fonctionnelle des systèmes étudiés. - Le troisième chapitre est consacré à l’étude, le dimensionnement des appareils du circuit de puissance et la vérification du fonctionnement du système étudié, puis nous allons intégrer un variateur de vitesse pour l’amélioration du fonctionnement du système. A la fin, nous présenterons la conclusion de cette étude ainsi que les perspectives envisageables pour la poursuite de ce travail. 1 L’automate programmable industriel I.1 Introduction Grâce au développement technologique, les systèmes et les chaînes de production automatisées sont maintenant gérés par des systèmes programmables. Ces systèmes sont à base de microprocesseurs qui devient très répandue dans l’industrie et notamment l’utilisation des API qui offre plusieurs avantages parmi eux : l’API est beaucoup moins encombrant que l’armoire de commande à base de relais, flexible et à bas cout d’achat comparativement à des installations câblées. Ce chapitre consiste à décrire d’une manière globale l’API, l’historique, le rôle, le principe de fonctionnement, l’architecture et les langages de programmation de l’automate programmable. I.2 Historique Les premiers automates programmables ont été introduit aux USA en 1969 pour besoin de l’industrie automobile américaine. Le but recherché était de remplacer les armoires à relais, utilisées dans la commande des chaines de fabrication par des équipements moins couteux, aussi bien du point de vue du cout d’acquisition que le cout de la maintenance, et flexibles c’est-à-dire faciles à modifier, à utiliser et à entretenir. À l’époque, étaient ALLEN- BRADLEY, MODICON et DIGITAL EQUIPMENTS qui construisent les 3 premiers prototypes en 1969. Depuis, les automates programmables se sont répandus dans tous les secteurs de L’industrie : aéronautique, automobile, chemin de fer, électro-ménage …….etc. Ce succès des automates programmables est dû en partie à leur faible coût, leur facilité de mise en œuvre et au progrès de l’industrie micro-électronique. Il existe plus 200 modèles fabriqués par 45 manufacturiers, parmi les plus gros constructeurs on peut citer ALLEN-BRADLEY, TELEMECANIQUE, SIEMENS ET MUTSIBISHI [1]. Dans ce mémoire on s’intéresse uniquement à des API de type TELEMECANIQUE (marques de Schneider Electric): Modèles TSX Micro, REF 3721 101 disponible à l’atelier d’électrotechnique. I.3 Définition Un automate programmable est un appareil électronique programmable par un utilisateur automaticien est destiné à piloter en environnement industriel et en temps réel des machines ou des processus. On l’appelle aussi "PLC", il permet de réaliser des fonctions d’automatisme pour assurer la commande des pré-actionneurs et actionneurs à partir des informations analogiques et/ou logiques. Alors ce sont des ordinateurs spécialisés pour les applications industriels, ils ont des caractéristiques très particulières qui justifient un traitement distinct des équipements classiques [1]. 2 L’automate programmable industriel I.4 Fonction Les API sont conçus pour : - traiter par programme des problèmes de logique combinatoire ou séquentiel afin de remplacer la commande en logique câblée à base des relais ou des circuits logiques et pour fonctionner en milieu industriel , avec des interfaces d’entrées et de sorties respectivement adaptées aux capteurs, détecteurs, boutons poussoirs et aux pré-actionneurs et actionneurs les plus courants. - un rôle de communication dans le cadre de l’exploitation avec l’opérateur humain (dialogue homme-machine par IHM) ou bien avec les autres processeurs hiérarchiquement supérieurs (Calculateurs de gestion de production) [1]. I.5 Architecture des API L’architecture des API est semblable à celle des systèmes à microprocesseurs. Les API sont constitués de blocs fonctionnels : -Une alimentation "power supply". -une unité centrale de traitement U.C.T ou « central processing unit » ou encore le processeur. -une mémoire. -des interfaces d’entrées et de sorties. Suivant le mode d’intégration de ces différents blocs on distingue : l’architecture MONOBLOC qui se caractérise par une réalisation compacte, c.à.d. un boîtier reliant tous les éléments constituants (alimentation, interfaces d’entrée/sortie). Le nombre des entrées/sorties étant fixe, il faut choisir l’automate selon l’application concrète (nombre et type d’entrées/sorties, complexité du programme préconise) et on trouve l’architecture MODULAIRE. Dans cette dernière, la plus courante, se caractérise par une famille des modules pour un type d’automate, l’utilisateur n’ayant qu’a choisir les modules qui en étant reliés ensemble peuvent satisfaire les demandes de l’application préconisée. Le changement ultérieur dans la structure et la complexité de l’installation ne présente aucun problème pour ce type d’automates. Si besoin, on peut ajouter des modules à la structure initiale de telle manière que les demandes soient satisfaites, cette configuration offre une grande souplesse et une variété de configuration à l’utilisateur ainsi qu’un diagnostic et une maintenance facile. La structure interne d'un API peut se représenter comme suit : [1], [4]. 3 L’automate programmable industriel Figure I. 1: architecture interne d’un API. I.5.1 Bloc d’alimentation Le module d’alimentation transforme l’énergie externe provenant du réseau en la mettant en forme afin de fournir aux différents modules de l’API les niveaux de tension nécessaires à leur bon fonctionnement. L’alimentation électrique de l’automate TSX 3721 nécessité l’utilisation d’un transformateur de tension, convertisseur statique (redresseur), un filtre RC et un stabilisateur de tension continue. I.5.2 Unité centrale de traitement ou le processeur L'unité centrale est le regroupement du processeur et de la mémoire centrale. Elle commande l'interprétation et l'exécution des instructions du programme. Les instructions sont effectuées les unes après les autres. Le microprocesseur réalise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de temporisation, de comptage, de calcul... à partir d'un programme contenu dans sa mémoire. Il est connecté aux autres éléments (mémoire et interface E/S) par des liaisons parallèles appelées ' BUS ' qui véhiculent les informations sous forme binaire. I.5.3 La mémoire L’API est conçu pour fonctionner d’une façon autonome. Il est donc connecté de façon permanente au système qu’il commande par l’intermédiaire des interfaces d’E/S. Le programme pilote, modifié très rarement doit résider dans une zone, c’est la mémoire ROM. Mais la ROM rend très couteuses les modifications des programmes, on leur préfère des mémoires EPROM reprogrammable d’une console autonome. Elles ont une alimentation par batterie. En général les API possèdent deux mémoires : -La mémoire de données, elle comprend la zone d’image des entrées, la zone des variables internes, la zone des compteurs et temporisateurs, la zone d’image de sorties, c’est une RAM en principe protégé par une batterie contre les coupures du courant. -la mémoire de programme ou est stockée l’application chargé de géré le procédé, elle est de type EPROM [1]. 4 L’automate programmable industriel I.5.4 Les interfaces d’entrée/sorties Ces interfaces relient l’automate au monde extérieur, se présente sous forme des modules et peuvent être de type analogique ou de type TOR. Interfaces d’entrées Les entrées reçoivent des informations en provenance des éléments de détection et du pupitre opérateur. Elles permettent à l’UCT d’effectuer une lecture d’état des capteurs. Chaque entrée est associée à une voie qui convertit le signal électrique envoyé par le capteur en signal binaire. Le cheminement d’un signal est le suivant : adaptation et protection, filtrage pour éviter les parasites et l’isolement électrique de l’unité de commande et la partie opérative pour assurer la fiabilité et la sécurité du signal électrique. Le TSX 3721 offre deux modules d’entrées : -le premier contient 32 entrées de types TOR sous la référence TSX DEZ 32D2 -le deuxième module contient 4 entrées de types analogiques sous la référence TSX AEZ 414 4 multirages (TC.RTD) hight level 16B Analog Inputs [2]. Les caractéristiques du module TSX DEZ 32D2 sont représentées dans le tableau suivant [5]: Tableau I.1:caractéristiques du module d’entrées DEZ 32D2. Modularité Entrées 32E/24VCC Courant consommé sur 5V interne 60mA Courant consommé sur alimentation Capteur 30mA+7mA par entrée à 1 Puissance dissipée dans le module (taux de charge = 60%) 6W Température de fonctionnement 0 à 60°C Rigidité diélectrique Entrée/masse 1500V efficace 50/60Hz 1mn Résistance d’isolement >10MΩ sous 500VCC. Le module d’entrée analogique assure la conversion analogique / numérique du signal délivré par un capteur analogique. Ce module peut être par exemple utilisé pour la mesure de température ,debit ,pression….etc. Les caractéristiques du module TSX AEZ 414 représenté dans le tableau suivant : Tableau I.2: Caractéristiques du module d’entrées AEZ414 [5]. Module TSX AEZ 414 Nombre de voies 4 Conversion analogique/numérique 6 bits (65535 points) SUR courant autorisé en mode commun entre voies Gammes électriques +/- 25 mA continu +/- 10 V, 0-10 V, 0-5 V, 0-20 mA, 4-20 mA. 5 L’automate programmable industriel Interfaces sorties Les sorties transmettent des informations aux pré-actionneurs et aux éléments de signalisation du pupitre. Elles permettent à l’API d’agir sur les actionneurs. L’élément de commutation du module TSX DSZ 08R5 de type électromécanique (contact de relais internes au module). Les interfaces de sorties réalisent la mémorisation des ordres données par le processeur, la commande de pré-actionneurs à travers des circuits de découplage et d’amplification [2]. Les caractéristiques du module TSX DSZ 08R5 sont données par le tableau suivant : Tableau I.3: Caractéristiques du module des sorties DSZ 08R5 [5]. Modularité 8S Relais Courant consommé sur 5V interne 25mA Courant consommé sur 24V relais (1) 5mA+10mA par sortie à 1 Puissance dissipée dans le module 1.5W (taux de charge = 60%) Température de fonctionnement 0 à 60°C 2000V efficace 50/60Hz Rigidité diélectrique 1mn Sortie/masse Sortie/logique interne Résistance d’isolement > 10MΩ sous 500 VCC I.7. Déscription physique de l’automate TSX 3721 Le module de base comporte les emplacements pour les cartes, le processeur, la mémoire, l’alimentation ,bloc d’affichage…etc. 6 L’automate programmable industriel Figure I. 2: description de l’automate. 1-bloc de vusialisation (affiche des information sur l’état de l’automate). 2-Prise TERMINAL (TER) permet de connecté le terminal de programation. 3-Prise de dialgue opérataur(AUX) permet de connecté un pupitre de dialogue. 4-Emplacement pour carte d’éxtension mémoire. 5-Trappe d’accés aux bornes d’alimentation. 6-Emplacement pour coupleur de comunication. 7-Emplacement pour module d’entrée dans le module de base de type TOR sous la référence TSX DEZ 32D2. 8-Emplacement pour module d’entrée dans le module de base de type analog sous la référence TSX AEZ 414 4multirage(TC.RTD). 9-Emplacement pour module de sortie dans le module de base de type TOR sous la référence TSX DSZ 08R5. 7 L’automate programmable industriel I.8 Bloc de visualisation Le bloc de visualisation propose de manière centralisée, un ensemble de services nécessaires à la mise en oeuvre, à l’exploitation, au diagnostic et à la maintenance de l’automate, de tous ses modules positionnés dans le bac de base ou dans le mini-bac d’extension : - visualisation de l’état automate, - visualisation de l’état des entrées/sorties locales ou distantes, - test du câblage des entrées/sorties TOR, en l’absence de programme application, - diagnostic des entrées/sorties et des modules, - visualisation de données internes au programme (bits, mots …etc) [3]. Figure I. 3:bloc de visualisation. Sur la droite, 5 voyants d’état qui renseignent sur le mode de fonctionnement de l’automate (RUN ,TER,I/O ,ERR,BAT) [3]. 1 Tableau I. 4 : les voyants de signalisation. VOYANT ETAT RUN Ce voyant vert est allumé pour signaler que l’automate est en fonctionnement et clignote pour induquer qu’il est en stop. Ce voyant est éteint lorsqui’il n’a pas d’application valide dans l’automate ou lorsque celui-ci en défaut. TER Ce voyant jaune est allumé pour signaler que des informations sont échangées par la liaison terminal. Le trafic par la prise terminal peut donner l’impression que ce voyant clignote I/O Ce voyant vert est allumé pour signaler un défaut relatif aux entrées /sorties : défaut d’alimentation ou disjonction d’au moins d’une voie, module absent, non conforme à la configuration ou hors service. 8 L’automate programmable industriel ERR Ce voyant rouge allumé pour signaler un défaut CPU de l’automate. Ce voyant clignote lorsque n’a pas d’application valide dans l’automate ou lors d’un défaut bloquant du programme d’application BAT Ce voyant rouge allumé pour signaler la défectuosité ou l’absence de la pile (optionnel) cette pile qui assure la sauvegarde de la RAM nécessite d’être changée suivant la procédure décrite dans l’installation matérielle. En partie supérieure , 5 voyants qui renseignent sur le mode de fonctionnement de vusialisation en cours [3]. 2 Tableau I.5: les voyants du bloc de visualisation. VOYANT ETAT BAS Mode de vusialisation des entrées/sorties de la base. EXT Mode de vusialisation de mini bac d’extension. R I/O Mode de vusialisation des entrées/sorties dubus AS-I WRD Mode de vusialisation des objets de langage DIAG Mode diagnostic -Six blocs de 16 leds qui renseignent sur les modules continus dans l’automate ou dans son extension : état des enrées/sorties TOR ,voies ou modules en défaut. -un bouton poussoir qui permet de visualiser la suite des informations et/ou de changer le mode visualisation (mode de visualisation des enrées/sorties ou diagnostique) en mode WORD ,ce bouton poussoir permet de choisir la table des objets affichés. 9 L’automate programmable industriel I.9.Visualisation de l’état des entrées sorties Figure I. 4:visualisation de l’état des’E/S. Ces blocs indiquent l’état de chacune des voies des modules visualisés. Si la voie à l’état 1, le voyant correspondant de la position est allumé , dans le cas contraire il reste éteint. -Base ( le voyant BASE est allumé),visualisation des modules de base. -Bac d’extension (le voyant EXT est allumé), visualisation des modules du bac d’extention [3]. I.10 Principe de fonctionnement Les API très proches aux calculateurs industriels ordinateurs disposent d’une programmation autorisant des méthodes plus puissantes, plus complexes. Au début de chaque cycle l’automate scrute systématiquement les entrées binaires pour transférer leur état. Il est segmentée en 3 secteurs qui contiennent respectivement les variables d’entrées, les variables de sorties et les variables internes utilisées aux cours de traitement, à la fin de la phase de lecture, le secteur des variables d’entrée de la mémoire de données contient l’image de l’état des entrées binaires et l’automate commence une phase de traitement essentiellement réduit à des opérations booléennes sur les variables d’entrées et sur les variables internes utilisées pour les calculs intermédiaires. Ce traitement se traduit par la modification de certaines variables de sortie et leur remise à jour dans la zone correspondante de la mémoire de données . A la fin du traitement, la zone des variables de sortie contient l’image de l’état de sortie qui doivent être imposées aux différentes sorties binaires. 10 L’automate programmable industriel Le temps de réaction de l’API dépend de la longeur du cycle, cette dernière dépend du nombre d’entrées /sorties et du nombre d’instructions de traitement. Il est de l’ordre de 5 à 50ms pour des API qui comporte quelques centaines à quelque milliers d’entrées /sorties et dont le programme comporte quelques centaines à quelque milliers dinstructions [1]. I.11 Langage de programmation Chaque automate possède son propre langage , pour progammer le TSX 3721, on utilise le logiciel PL7 PRO qui conteint les languages suivants : I.11.1 LADDER Le language à relais ou LADDER est le plus courant sur les automates programmable, les symboles sont essentiellement des contacts, des bobines d’affectation et des blocs–fonctions (temporisateurs, compteurs, comparateurs..etc). La programmation en langage à relais est basée sur un symbolisme très proche de celui emplyé pour les schémas de câblage ou schémas de commande. Ce langage graphique est essentiellement dédié à la programmation d’équations booléennes. Les identificateurs de variables sont souvent constitués par une lettre relative au type de variable (entrée, sortie ou interne) et qui est suivie par l’adresse de la variable, deux nombres séparés par un point le premier déisgnant l’emplacemet du module dans le bac, le second désignant le rang de la variable sur le module. I.11.2 GRAFCET Le GRAFCET est un puissant outil graphique pour la description des applications de commande, Le GRAFCET est destiné à représenter des automatismes c’est-à-dire des systèmes à évènements discrets dans lesquels les informations sont de type booléennes ou peuvent s’y ramener (par exemple la comparaison d’une température avec un seuil). Le GRAFCET est utilisé généralement pour spécifier et concevoir le comportement souhaité de la partie commande d’un système. ü PRL Contient les informations de traitement préliminaire, le traitement de l’arrêt d’urgence, des calculs de nombre de pièce, les organigrammes,… ü Chart Contient le grafcet avec les transitions. ü POST Dans cette partie nous écrivons notre action ainsi que l'activation des sorties associées aux étapes du Grafcet . 11 L’automate programmable industriel I.12 Classification des API Les critères de classification des API varient d’un auteur à un autre et d’un constructeur à un autre. Cependant on peut retenir les troix critères suivants : le nombre d’entrées /sorties, la structure et la taille des processus ou système à piloter. -Suivant le nombre d’entrées /sorties les API sont souvent classés en troix differentes catégories suivant le nombre maximum d’entrées /sorties qu’ils mettent en œuvre. On trouve les automates de bas de gamme, de milieu de gamme et de haut de gamme. -Suivant la structure on distingue : ü les automates compacts (monobloc). ü les automates modulaires. - Suivant la taille et le type de microprocesseur et de l’application on distingue le micro automate et les automates [1]. I.13 Critères de choix d’un automate 1- Rôle joué dans le procesus :il faut distinguer 2 cas essentiels : - Ou bien il s’agit de décharger un plus gros automate d’une partie annexe de l’automatisme global. - Ou bien il s’agit d’une application autonome . 2- La capacité mémoire de l’automate programmable : la capacité mémoire de l’ U.C.T de l’automate programmable est un critère d’évaluation de la complexitè des application réalisables. 3- Les entrées /sorties . 4- Le prix. 5- Les languages de programmation supportés [1]. I.14 Conclusion Dans ce chapitre nous avons présenté l’historique de l’automate programmable industriel, son architècture interne , son principe de fonctionnement. Pour l’utilisation de l’API tsx 3721 nous avons donné les caractéristiques principales des modules d’entrées/sorties. L’automate programmable est un ordinateur, mais il utilise un language proche de l’automaticien, il est robuste c-à-d résiste mieux aux chocs (mécanique et électrique), aux parasites, il dipose déjà des interfaces d’entrées/sorties d’informations adaptées aux normes industrielles. 12 Introduction aux systèmes automatisés II.1 Introduction Dans n’importe quelle entreprise, parmi les objectifs visés c’est de maximiser les profits, augmenter le chiffre d’affaires, améliorer la productivité, éliminer les interventions dangereuses et pénibles et protéger la santé des employés. Alors, pour rester compétitives sur des marchés de plus en plus incertains, les entreprises ont besoin d’être réactives. Ceci nécessite l’automatisation des processus industriels pour y parvenir. L’automatisation d’un système est l’exécution automatique de tout ou partie des tâches de coordination sans interventions humaines. Dans ce chapitre, nous allons présenter d’abord la structure des systèmes automatisés, les avantages et les inconvénients de l’automatisation des systèmes et l’outil de description. Puis, on va étudier des exemples des systèmes automatisés. II.2 Définition Un système automatisé est un ensemble des machines qui réalise des actions de manière autonome, le rôle principal de cet ensemble d’éléments en interaction, organisé dans un but précis, est d’assurer l’acquisition des informations fournies par les capteurs et d’en faire le traitement par un programme pour élaborer la commande des actionneurs et effectuer un ensemble d'opérations sans l'intervention d'une personne ou intervention limitée [6]. II.3 Structure d’un système automatisé Un système automatisé est composé de deux parties: -La partie opérative (PO) ou le processus industriel dont les actionneurs agissent sur le processus. -La partie commande ou (PC) ou le système de commande et de contrôle, coordonne les actions de la partie opérative. II.3. 1 La partie opérative C’est l'ensemble des dispositifs permettant d’effectue les actions ordonnées par la partie commande. Ces processus nécessitent obligatoirement un apport d'énergie. Elle comporte les éléments du procédé : - Les pré-actionneurs qui reçoivent les commandes de la partie de commande. - Les actionneurs (moteurs, vérins…) qui exécutent les commandes et assurant la mise en mouvement des outillages. - Les capteurs et les détecteurs permettent d’acquérir et informer la partie commande de l’état de la partie opérative (position, vitesse, présence pièce). II.3.2 La partie commande Elle est destinée pour traiter l'information afin de répondre aux fonctionnalités suivantes: -Coordonner les actions de la PO. 13 Introduction aux systèmes automatisés - Surveiller le fonctionnement de la PO. -Gérer les communications avec d'autres parties de commandes. -Assurer les traitements liés à la gestion. II.3.3 La partie dialogue Cette partie intègre trois principaux dialogues: -le dialogue avec machine: commande des actionneurs via les pré-actionneurs (un vérin via un distributeur), -le dialogue homme-machine: réglage, dépannage, -le dialogue avec d'autres machines; coordination des mouvements des divers moteurs de rotation, translation d'une machine-outil [1]. La structure d’un système automatisé peut être représentée dans la figure suivante : Figure II.1: structure d’un système automatisé II.4 Les avantages et les inconvénients de l’automatisation des systèmes II.4.1 Les avantages L’automatisation des systèmes a pour avantages : -améliorer les conditions de travail (effectuer des tâches pénibles, dangereuses et répétitives). - sécurité. - précision. - réduire les coûts de fabrications (produits plus compétitifs). - augmenter la productivité (réduire le temps de travail nécessaire à la production, donc augmenter les cadences de travail). - flexibilité (une machine peut s’adapter à plusieurs productions). - confidentialité (une machine ne peut pas parler). 14 Introduction aux systèmes automatisés - un S.A. peut travailler 24h sur 24h. II.4.2 Les inconvénients -incidence sur l’emploi (licenciement – chômage : la mise en place d’une machine se substituant à 10 salariés n’aboutit pas à la création de 10 emplois). - investissement pour l’achat de machines (le coût élevé du matériel). - coût de maintenance. - pannes. - consommation d’énergie. - formation d’un personnel plus qualifié (technicien de maintenance, de contrôle…). II.5 outil de description d’un système automatisée Les différents travaux effectués ces dernières années dans le domaine des automatismes industriels ont conduit à une représentation graphique des spécifications fonctionnelles d’un cahier des charges. Cette nouvelle représentation, le GRAFCET, est fondée sur les notions d’étapes, de transitions et de réceptivités qui simplifient la synthèse d’un automatisme. Le GRAFCET permet de visualiser de façon particulièrement claire toutes les évolutions du système. De plus, plusieurs niveaux hiérarchisés de description permettent, à partir de macro-représentations de haut niveau indépendantes de la technologie, d’accéder à différents niveaux de plus en plus détaillés, jusqu’au niveau le plus fin où tous les ordres et toutes les informations élémentaires sont décrits. Cette méthode de description descendante, particulièrement concise, rend la communication homme-machine très efficace, permettant entre autres, à l’opérateur de remédier, le cas échéant, à une anomalie de fonctionnement. Le GRAFCET est un modèle de représentation graphique des comportements dynamiques de la partie commande. Il décrit les interactions entre la partie commande et la partie opérative, il établit une relation entre : - les entrées, correspondant aux transferts d’informations de la partie opérative vers la partie commande. - les sorties, correspondant aux ordres transmis de la partie commande vers la partie opérative. La présentation du GRAFCET en tant qu’outil de description des systèmes automatismes industriels, permet de traiter la majorité des problèmes rencontrés lors de la spécification, la conception et la réalisation d’une partie commande d’un processus industriel [7]. II.6 Exemples d’application Pour chaque exemple on va définir premièrement le cahier des charges du système étudié, puis le GRAFCET qui gère le fonctionnement et enfin la réalisation pratique (programmation et câblage). 15 Introduction aux systèmes automatisés II.6.1Séquence simultanée ou parallélisme Un automatisme est représenté par un GRAFCET à séquences simultanées lorsque cet automatisme possède plusieurs séquences qui se déroulent en même temps. La chaine de remplissage des bidons d’huile est un système automatisé représenté par un GRAFCET à séquence simultanée [8]. ü Description du cahier des charges Une chaîne de production permet de remplir des bidons d'huile. Cette dernière se décompose en deux sous-systèmes : le remplissage puis le bouchage. Les bidons vides sont acheminés sur un tapis qui avance pas à pas. L'approvisionnement en bidons n'est pas régulier et certains bidons peuvent manquer de temps à autre. Néanmoins, la distance théorique entre deux bidons présents côte à côte est fixée par des taquets situés sur le tapis. Cette distance correspond à un pas moteur. Un dispositif permet, à chacun des trois postes décrits, de détecter la présence ou l'absence d'un bidon. Une fois le cycle lancé par un bouton poussoir (l’ordre d’avance) le tapis avance par un pas. La représentation schématique de la chaîne de remplissage est la suivante : Figure II. 2 : chaine de remplissage et bouchage des bidons d’huile. v Cycle de remplissage Si nous avons un bidon sous le poste de remplissage, une vanne est ouverte nous ouvrons cette vanne jusqu’a qu’un capteur indique la fin du remplissage du bidon. Si nous n'avons pas de bidon sous le poste de remplissage, nous allons directement à l'étape suivante. 16 Introduction aux systèmes automatisés v Cycle de bouchage En même temps le bouchage des bidons s’effectue simultanément avec le remplissage. On admet que les bouchons à visser sont stockés dans un magasin vertical et toujours présents dans le magasin. Si nous avons un bidon sous le poste de bouchage, le cycle de bouchage commence par le transfert du bouchon au-dessus du bidon à l'aide d’un vérin, Si nous n'avons pas de bidon sous le poste de bouchage, nous allons directement à l'étape suivante. Tableau II. 1: Affectation des entrées. Entrées API Entrée Adressage affectation observation Dcy I1.0 Ordre d’avance fa I1.3 Fin d’avance Bp I1.1 Bidon présent Ba I1.2 Fr I1.4 Fb I1.5 Bouton poussoir Capteur de position Bidon absent Fin remplissage Fin bouchage Tableau II.2: Affectation des sorties. SORTIES API Sorties Adressage actionneurs KM1 Q5.0 Moteur tapis KM2 Q5.2 électrovanne KM3 Q5.1 Observation Contacteurs d’alimentation Moteurs asynchrones triphasés Vérin de bouchage Commande de la bobine du distributeur 17 Introduction aux systèmes automatisés Ø grafcet point de vue partie opérative Figure II. 3 : grafcet point de vue partie opérative. Ø grafcet point de vue partie commande Figure II.4 : grafcet point de vue partie commande. 18 Introduction aux systèmes automatisés Ø Utilisation des écrans d’exploitation L'éditeur d'écrans d'exploitation est un outil intégré au logiciel PL7-PRO. Il est destiné à faciliter l'exploitation d'un processus automatisé. Ils sont très facile à utiliser, on peut définir toutes sortes de formes, de textes, de boutons, les animer très facilement… On peut aussi utiliser les objets de "bibliothèque des écrans d'exploitations" et créer des écrans d'exploitation, des familles d'écrans, gérer l'Import/Export des écrans et familles d'écrans. Figure II. 5 : L’écran d’exploitation du système sous PL7 PRO. II.6.2 Sélection d’une séquence Un automatisme est représenté par un GRAFCET à sélection d’une séquence (aiguillage) lorsque cet automatisme possède plusieurs cycles de fonctionnement. Ces cycles sont sélectionnés par des informations fournies, soit par l’opérateur (commutateur, claviers…..) soit par la machine elle-même (capteur de position, détecteur….). II.6.2.1 Fonctionnement souhaité du carrefour routier Un carrefour se compose de deux voies. On souhaite gérer deux modes de fonctionnement de ce carrefour, le mode normal et le mode nuit. Ø Mode normale Les feux tricolores se succèdent en permanence rouge pendant 7s, Vert 7s, Orange 3s pour chaque voie. Le rouge de la première voie avec le vert de la deuxième pendant 7s. 19 Introduction aux systèmes automatisés Le rouge de la première voie avec le jaune la deuxième pendant 3s. Le vert de la première voie avec Le rouge de la deuxième voie pendant 7s. Les piétons passent lorsque le rouge d’une voie est allumé. Ø Mode nuit : Ce mode est réglé automatiquement à 21h00, à partir de cette heure, seul le jaune des deux voies clignote. Ø Programmation en GRAFCET À parti d’un PC connecté avec l’automate on rédige le GRAFCET correspondant à ce système. Tableau II.3: affectation des sorties. sorties API sorties Adressage affectation V1 Q5.0 Vert voie 1 R2 Q5.1 Rouge voie 2 J1 Q5.2 Jaune voie 1 R1 Q5.3 Rouge voie 1 V2 Q5.4 Vert voie 2 J2 Q5.5 Jaune voie 2 observation voyants Tableau II.4 : affectation des entrées. entrées API entrées Adressage S S I1.0 affectation 0 Mode minuit 1 Mode normal 20 observation Switch à 2 positions Introduction aux systèmes automatisés Ø grafcet point de vue partie opérative : Figure II.6 : grafcet point de vue partie opérative. Ø grafcet point de vue partie commande Figure II.7 : grafcet point de vue partie commande. 21 Introduction aux systèmes automatisés II.6.2.4.Présentation de la maquette Figure II. 8 : la maquette didactique. II.6.2 Automatisation d’une Station de pompage Ø Description du fonctionnement Pour concevoir l’utilisation du module d’entrées analogiques de l’automate on présente le cahier des charges qui nous explique le fonctionnement d’une station de pompage d’eau. La station concernée comprend 2 pompes pour l’aspiration de l’eau du puits (ou forage), elle permet de remplir un réservoir de stockage de 2000l qui est équipé par un capteur de niveau. Le fonctionnement automatique de l’ensemble est lié au niveau de l’eau dans le réservoir. Ce dernier alimente un réseau de distribution d’une ville (zone d’habitations), donc il faut assurer le débit journalier nécessaire aux clients. La gestion de la station sera effectuée à partir de l’automate programmable, de façon à éviter de tomber en trop-plein ou de vider le réservoir. L’installation fonctionne de la façon suivante : - si le niveau est entre 100l et 1500l : les 2 pompes en fonctionnement. - si le niveau est compris entre 1500l et 1800l : une seule pompe qui fonctionne. - si le niveau est dans la plage de 1800l et 1900l : toujours une seule pompe qui fonctionne avec une alarme. -si le niveau égal à 1900l : aucune pompe ne fonctionne (arrêt du pompage). 22 Introduction aux systèmes automatisés La consommation de l’eau se traduit par la diminution du niveau dans le réservoir donc : -si le niveau du réservoir démunie à une valeur entre 1500l et 1800l : une seule pompe qui fonctionne -si la consommation est augmentée et la 1ere pompe ne satisfait pas la demande, dans ce cas la 2eme pompe intervient pour compenser la consommation. Pour assurer le bon fonctionnement de la station de pompage l’arrêt immédiat de la station est effectué en cas : - d’appui sur le bouton d’arrêt : la station est mise à l'arrêt immédiatement. - de détection de niveau max (1900l). - de défaillance d’une pompe. (Court-circuit ou surcharge). La figure suivante représente la station de pompage : Figure II. 9 : représentation de la station de pompage. 23 Introduction aux systèmes automatisés Ø Circuit de puissance Figure II. 10 : schéma de puissance. Ø Entrées de l’automate Figure II.11:schéma des entrées automate. Ø Sorties de l’automate Figure II.12:schéma des sorties automate. 24 Introduction aux systèmes automatisés Tableau II. 5: Affectation des entrées. Entrées API Entrées Adressage Affectation observation Des boutons poussoir Dcy I1.0 Démarche cycle Ba I1.1 Bouton d’arrêt RTH1 I1.2 RTH2 I1.3 N IW.3.1 Contacts du relais thermique NC Capteur de niveau Tableau II.6: Affectation des sorties. SORTIES API Sorties Adressage actionneurs observation KM1 Q5.0 Pompe 1 Contacteurs d’alimentation KM2 Q5.1 Pompe2 Moteurs asynchrones triphasés A Q5.2 Alarme Voyant rouge II.6.3.2 grafcet fonctionnel de la station Ø grafcet point de vue opérative Figure II. 13: grafcet point de vue opérative. 25 Introduction aux systèmes automatisés Ø grafcet point de vue commande Figure II. 14: grafcet point de vue commande. II.6.3.3 Présentation des matériels Dans cette partie, on va présenter le matériel que nous avons mis en œuvre pour la réalisation de la station de pompage étudiée. Les pompes sont considérées comme des moteurs asynchrones triphasés. Le capteur de niveau est remplacé par une source de tension continu variable, elle nous permet de donner le niveau d’eau dans chaque point dans le réservoir. L’installation est illustrée sur la figure suivante: 26 Introduction aux systèmes automatisés Figure II.15 : montage didactique de la station de pompage. II.7 CONCLUSION Dans ce chapitre nous avons présenté la structure, l’outil de description des systèmes automatisés et les conséquences bénéfiques de leur automatisation. Afin de mieux comprendre ces derniers nous avons étudié des exemples tel que la chaine de remplissage d’huile, le carrefour et une station de pompage. 27 Etude et réalisation d’un système automatisé III.1 Introduction Dans ce chapitre on va étudier l’automatisation d’un système industriel réel et réaliser le câblage des circuits de commande et de puissance et vérifier le fonctionnement du système. Pour cela on doit dimensionner les appareils du circuit de puissance afin de protéger l’installation. L’objectif de ce chapitre est la familiarisation avec l’installation d’usines automatisées. III.2 Description du fonctionnement Un poste de dosage automatique, donné par la figure III.1, est constitué de deux trémies A et B, un chariot de transport, et un poste de déchargement. Les moteurs à vis sans fin M1 et M2 permettent de déverser les deux produits A et B dans le chariot. Ce dernier déplacé à l’aide d’un moteur à 2 vitesses de rotation et à deux sens de rotation. L’installation fonctionne comme suit : Si l’équipement a été préalablement mis en service par le bouton poussoir S3, une impulsion sur le BP S4 lance le cycle suivant : Le remplissage du chariot par le produit A jusqu’au poids P1 se fait si le chariot sous la trémie A (position initial S9), trappes fermée (S13) et le chariot vide (S6). -Si le chariot sous trémie B (S11) et pas de poids P2, le moteur M2 permet de déverser le produit B jusqu’au poids P2. -Si chariot en position autre que la position initiale OU non vide ET trappes fermées ET demande de cycle de dégagement (S5). Dans ces conditions, le chariot déplacé en petite vitesse vers le poste de déchargement (S12). -Si le chariot en position de déchargement, le vérin V permet l’ouverture des trappes (S14) et le déversement du produit, à la rentrée du vérin les trappes du chariot se referment automatiquement. -Si les trappes sont fermées le chariot recule en grande vitesse jusqu’à la position (S10), la proximité de sa position initiale, puis il continue à petite vitesse [9]. 28 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.3 Synoptique du système Figure III 1 : synoptique du système. v Principe de déchargement : Figure III 2: Pupitre de commande. 29 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.4.Adressage des entrées /sorties Ø Les entrées Tableau III. 1: les entrées de l’API. Entrées API Entrées Adressage affectation observation S1 I1.0 arrêt d’urgence S2 I1.1 mise hors service S3 I1.2 mise en service S4 I1.3 départ cycle S5 I1.4 dégagement S6 I1.5 Chariot vide S7 I1.6 Poids 1 S8 I1.7 Poids 2 S9 I1.8 Chariot sous trémie S10 I1.9 Chariot à la proximité Boutons poussoirs Indicateurs de poids A la de sa position initiale S11 I1.10 S12 I1.11 Chariot sous trémie B Chariot à la position de déchargement S13 I1.12 Trappes ouvertes S14 I1.13 Trappes fermées 30 Capteurs de position (fin de course) Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Ø Les sorties Tableau III.2: les sorties de l’API. SORTIES API Sorties Adressage affectation KM1 Q5.0 trémie A KM2 Q5.1 trémie B observation Contacteurs d’alimentation Moteurs asynchrones triphasés KM3 Q5.2 Marche avant du chariot Contacteur avec KM4 Q5.3 petit vitesse Q5.4 moteur Marche arrière du chariot asynchrone triphasé 2 avec petit vitesse KM5 d’alimentation vitesses Marche arrière du chariot grande vitesse Km6 Q5.5 Sortie du vérin Km7 Q5.56 entrée du vérin H1 Q5.7 En service Vérin double effet Voyant III.5.Circuit de puissance Figure III.3: schéma de puissance 31 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.6 Schéma des entrées de l’automate Figure III 4 : schéma des entrées de l’API. III.7 Schéma des sorties de l’automate Figure III 5: schéma des sorties de l’API. 32 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.8 grafcet fonctionnel du système Ø grafcet point de vue partie opérative Figure III.6:grafcet point de vue opérative. 33 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Ø grafcet point de vue partie commande Figure III 7: grafcet point de vue commande. 34 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.9 Choix des constituants du circuit de puissance Les moteurs font partie de tous les processus industriels. Pour cette raison, l’utilisation optimale de leurs applications devient de plus en plus très importante. Pour cela, il faut choisir tous les composants nécessaires au circuit électrique permettant le démarrage d'un moteur asynchrone triphasé. Les fonctions doivent assurer un départ moteur sont : Sectionnement, protection contre les courts circuits, protection contre les surcharges et la commutation. III.9.1 Le Sectionneur Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion capable de séparer (isoler) la source d’alimentation électrique et l’équipement électrique lorsque le courant est nul ou pratiquement nul, il permettre aussi la protection contre les courts- circuits par l’intermédiaire des fusibles. Critères de choix d’un sectionneur -nombre de pôles (nombre de contacts de puissance). -tension d’emploi assignée (tension maximale applicable entre 2 pôles). -calibre de l’appareil (courant maximal que peut supporter l’appareil pendant un temps illimité). -nature des cartouches fusibles. -nombres des contacts de pré-coupure [10], [11]. III.9.2 Fusibles Les fusibles placés dans un sectionneur porte fusibles, utilisés pour la protection contre le court circuit ou la surintensité. Leurs rôles est l’interruption du courant lorsqu’il dépasse pendant un temps déterminé la valeur assignée. III.9.3 Le relais thermique Il existe plusieurs appareils de protection thermique : Relais thermique, relais à sondes (surveillance de la température interne du moteur) et le relais multifonction. Le relais de protection thermique est un appareil qui protège le récepteur (moteur) placé en aval contre les surcharges (sur couples), il couvre 44% des cas de défaillances. Couramment utilisé ce relais offre une excellente fiabilité. Pour cela, il surveille en permanence le courant dans le récepteur. Le relais de protection thermique mesure le courant qui circule dans le circuit de puissance et le compare avec l’intensité préréglée en façade. Si le courant de circuit de puissance dépasse l’intensité préréglée, il actionne les 2 contacts de commande [10] [12]. Critères de choix d’un relais thermique Le relais thermique se choisit en fonction : 35 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel - du courant nominal du récepteur à protéger (moteur) - de la plage de réglage du relais thermique - de la classe de déclenchement en fonction du temps de démarrage. III.9.4 Le contacteur Le contacteur est un appareil de commande capable d'établir ou d'interrompre le passage de l'énergie électrique. Il assure la fonction de commutation. En technologie des systèmes automatisés ce composant est appelé pré-actionneur puisqu'il se trouve avant l'actionneur dans la chaîne des énergies [11]. Critères de choix d’un contacteur Le choix d’un contacteur moteur dépend de : -la puissance de la charge (moteur) exprimé en kW -la tension d’alimentation de la charge (moteur) -la tension du circuit de commande pour l’alimentation de la bobine -le type de démarrage souhaité : 1 sens de marche ou 2 sens de marche. -les accessoires (contact temporisé, dispositif de condamnations….). -le type de charge à commander- la catégorie d’emploi. Fonction Désignation fonctionnelle Choix du calibre (égal ou immédiatement supérieur à) -Sectionnement. Sectionneur tripolaire avec fusible class aM In Couplage étoile : contacteur tripolaire. 0.33*In Couplage triangle : contacteur tripolaire. 0.58*In -Protection contre les courts circuits. -commutation -protection contre les surcharges Relais thermique tripolaire 0.58*In III.10 Caractéristiques des équipements Ø Alimentation Réseau triphasé avec neutre 230V/400V. Ø Actionneurs -commande des vis sans fin : Deux moteurs asynchrones triphasés, démarrage direct à un sens de rotation. M1:3 PH INDUCTION MOTOR mod. P-4/EV. P=1000W, U Triangle =230V, U étoile =400V, I Triangle=4A, Iétoile=2.3A, n=2880RPM , Rating =S1.ƞ=0.8. M2 : moteur triphasé à cage MAS 30,24Kg. 36 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel V A COS Hz TR/MIN kW étoile 400 6.6 0.79 50 1420 3 triangle 230 11.9 0.84 50 1450 3 -commande de déplacement du chariot : M3:3PH INDUCTION MOTOR DAHLANDER MOD .P-6/EV. P=1100W/800W, U=400V, I=3.45A/2.3A, F=50Hz. n=2790/1360RPM, P=2/4 RATTING=S1. -commande du déchargement du chariot par un vérin. Ø Les pré-actionneurs : sont alimenté en 24V continu. III.11 Dimensionnement des composants À partir des éléments recueillis sur la plaque signalétique on peut dimensionner les composants dans l'ordre suivant : – relais thermique. – contacteur. – fusibles et sectionneur porte-fusibles pour l’installation. III.11.1 Choix des relais Pour choisir le relais thermique, il faut connaitre l’intensité du moteur. Ce relais thermique est un composant que l’on doit régler à l’intensité nominale du moteur, donc il possède une plage de réglage. Le choix se fera donc pour que la valeur de l’intensité à régler se situe si possible vers le milieu de la plage de réglage M1 : Ce moteur est couplé en étoile, donc son courant nominal est 2 ,3A. La plage la mieux adaptée est [1.5A à 2.5A], donc la référence du relais est : LRD 07 (réglage à 2.3A). M2 : Son courant nominal en couplage étoile égale 6.6A, cette valeur situé dans la plage de [5.5A à 8A] La référence du relais est : LRD 12 (réglage à 6.6A). M3 : Ce moteur ayant deux vitesses de rotation qui correspondent à deux intensités 2.3A et 3.45A, donc on a deux relais. La valeur 2.3A se situe dans l’intervalle [1.6A à2.5A], La référence du relais correspondant est : LRD 07 (réglage à 2.3A). L’intensité de 3.45A appartient à la zone de réglage [2.5A à 4A], la référence du relais est : LRD 08 (réglage à 3.45A). 37 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel III.11.2 Choix des contacteurs Les catégories d'emploi normalisées fixent la valeur de courant que le contacteur doit établir ou couper. Elles dépendent : De la nature du récepteur contrôlé : moteur à cage ou à bagues, résistances des conditions dans lesquelles s'effectuent les fermetures et ouvertures : moteur en cours de démarrage, inversion de sens démarche, freinage .les moteurs utilisés dans ce système sont des moteurs asynchrone à cage dont la coupure s’effectue moteur lancé . Donc la catégorie d’emploi de ces actionneurs est AC3. Les contacteurs de cette catégorie établissent Id (≈ 5 à 7 ∗ ). Les relais thermique sous la référence LRD 07, LRD 08 et LRD 12 doit se monter avec des contacteurs dont la référence comporte les indications suivantes : LC1 D09, c’est la référence de base. Pour obtenir la référence complète, il faut connaitre la tension d’alimentation de la bobine qui dans notre cas est 24V continu. Sachant que les bornes du contacteur sont raccordées avec visétrier (connecteur), donc la référence du contacteur est donc : LC1 D09 BD [13]. III.11.3 Choix du sectionneur Afin de choisir un sectionneur pour l’installation, il faut déterminer le courant total demandé par les actionneurs. pu1 = 1000 W. pa1=√3 ∗ U ∗ I ∗ cosφ 1 ƞ=0.8. pa1= ƞ = = . 1250W. pa1=√3 ∗ 400 ∗ 2.3 ∗ cosφ 1 cosφ 1 = √ ∗ ∗ = √ ∗ ∗ . = 0.78. φ 1 = arc cos φ 1= arc cos (0.78) =38.33 ° Q1 = √3 ∗ U ∗ I ∗ sinφ 1 = √3 ∗ 400 ∗ 2.3 ∗ (38.33) Q1 =988.28 VAR pa2= cosφ 2 = ƞ = √ ∗ ∗ . = = √ ∗ pu2 = 1100W. pa2 = √3 ∗ U ∗ I ∗ cosφ 2, ƞ=0.8. 1375W. ∗ . = 0.57 φ 2 = arc cos φ 2 = arc cos (0.57) = 54.88° Q2 =√3 ∗ U ∗ I ∗ sinφ 2 = √3 ∗ 400 ∗ 3.45 ∗ (54.88) =1955.08VAR. 38 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Pu3 = 3000 W. pa3= ƞ = cosφ 3 = 0.79 3750W. = . φ 3 = arc cos φ 3 = arc cos (0.79) = 37.81° Q3 =√3 ∗ U ∗ I ∗ sinφ 3 = √3 ∗ 400 ∗ 6.6 ∗ (37.81) Q3 =2803.5 VAR Ptotal = => p1+p2+p3 Ptotal =6375W Q total = Q1+ Q2+ Q3 Ptotal = 1250 + 1375 + 3750 Q total=988.28 +1955.08+2803.5 Q total=5746.78 VAR = + , S total = √3 ∗ U ∗ I I I =12.38 A. = √ ∗ = √ 6375 + 5746.78 = 8582.89 VA = √ ∗ . Le sectionneur à porte fusible choisi pour cette installation possède les indications suivantes : LS1 D2531. Choix des fusibles nombre taille 3 10*38 Calibre référence 16A DF2 CA16 Type aM III.13 Insertion du variateur de vitesse Dans le but de moderniser et améliorer le fonctionnement du système étudié, l’utilisation d’un variateur de vitesse présente plusieurs avantages parmi eux : varier la vitesse, éliminer l’utilisation du frein à poudre et inverser le sens de rotation du moteur qui entraine le chariot. Dans cette partie, nous nous intéressons au fonctionnement et à la commande du variateur sous la référence ALT31HU30N4 par l’automate programmable. 39 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Les entrées Tableau III.3 : les entrées de l’API Entrées API Entrées Adressage Affectation observation S6 I1.5 Chariot vide S7 I1.6 Poids 1 S9 I1.8 Chariot sous trémie A S10 I1.9 Chariot Indicateurs de poids à la Capteurs de position proximité (fin de course) la de sa position initiale S12 I1.11 Chariot à la position de déchargement Les sorties Tableau III. 4 : les entrées de l’API SORTIES API Sorties Adressage Affectation observation LI1 Q6.0 trémie A Contacteurs LI2 Q6.1 trémie B Moteurs asynchrones triphasés LI3 Q6.2 Marche avant du chariot avec petit vitesse LI4 Q6.3 d’alimentation Contacteur d’alimentation Moteur asynchrone triphasé Marche arrière du chariot avec petit vitesse Le fonctionnement souhaité est le suivant (voir le grafcet fournis). 40 2 vitesses Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Ø grafcet point de vue opérative Figure III 8: grafcet point de vue opérative. Ø grafcet point de vue commande Figure III 9: grafcet point de vue commande. 41 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel Figure III 10: schéma de principe. Figure III 11: le banc d’essai. 42 Etude et réalisation d’un système automatisé industriel variation de la vitesse avec le variateur 15 image de la Vitesse Marche arrière vitesse maximale 50Hz 1000Tr/min 10V 10 5 Marche arrière vitesse minimale v (v ) 20Hz 10Hz Marche avant (moyenne vitesse) 0 Arret Arret déchargement -5 -10 0 5 10 15 20 25 t(s) 30 35 40 45 50 Figure III 12: la vitesse relevée par cassy-lab. Après le paramétrage et le câblage du variateur avec l’automate et le moteur, on obtient à l’aide du cassy-lab. la figure précédente qui représente la variation de la vitesse de rotation du moteur qui entraîne le chariot en fonction du temps. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons tout d’abord présenté le cahier des charges du système étudié qui nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement du système, ensuite après avoir opté pour une configuration adéquate de l’automate, le GRAFCET qui a été élaboré a été établi d’après le cahier des charges et l’analyse fonctionnelle effectuée. En vue de réaliser ce système nous avons donné les caractéristiques principales des différents éléments du banc d’essai et faire le dimensionnement des constituants suivant les indications des plaques signalétiques des actionneurs du circuit de puissance telle que le contacteur, le relais et le sectionneur à porte fusible. Enfin, afin d’améliorer le système, on a utilisé le variateur de vitesse pour gérer la variation de vitesse et l’inversion du sens de rotation du moteur qui entraine le chariot et le commander par l’automate. 43 Conclusion générale Conclusion générale Le travail présenté dans ce mémoire a traité : -la mise en œuvre et l’utilisation d’un automate programmable et comprendre son rôle, sa place dans un système automatisé. - la maitrise de l’analyse fonctionnelle d’un système automatisé. - la modélisation du fonctionnement d’un système automatisé à l’aide d’un GRAFCET de commande puis sa programmation sous l’environnement PL7 PRO. Pour y parvenir à ces objectifs nous avons proposé différents cahiers des charges qui définissent le fonctionnement souhaité des systèmes automatisés choisis. Premièrement on a étudié et réalisé un système automatisé didactique pour faciliter la compréhension des automates programmables et leurs utilisation dans n’importe qu’elle système, ainsi que nous avons fait la validation pratique pour une station de pompage puis en intégrant un écran d’exploitation d’une chaine de remplissage d’huile. A la fin, on a fait l’automatisation d’un système industriel et la réalisation du câblage du circuit de puissance et de commande et tester son bon fonctionnement, pour ce faire nous avons montré que l’équipement nécessite une association d’appareils qui satisfait les quatres fonctions suivantes : sectionnement, commutation, protection contre les courts-circuits et la protection contre les surcharges et expliquer comment choisir et dimensionner l’appareillage du circuit de puissance. Pour améliorer et développer le fonctionnement du dernier système, on insère un variateur de vitesse commandé par l’automate programmable. La validation pratique de ces systèmes nous permis de : - utiliser les automates programmables et en particulier le TSX 3721. - mieux comprendre la programmation par les langages LADDER et GRAFCET. - maitriser le dimensionnement des appareils du circuit de puissance. - maitriser le câblage du circuit de commande et de puissance. - utiliser un variateur de vitesse. Perspectives Comme perspectives : -contrôle et régulation de la vitesse de rotation. -utilisation du protocole Modbus « protocole de dialogue entre un maître et plusieurs esclaves ». -programmation et utilisation des HMI. -sécuriser le fonctionnement d’un système par le nom et le mot de passe de l’opérateur. 28 Annexe 45 46 Références bibliographiques [1] : Kangni et Adama d. Diarra « introduction des automates programmables industriels sur les locomotives diesels-électriques a l’o.t.p: incidences économiques et techniques ». [2] :tsx_mise_en_oeuvre_tome2. Automates modicon micro tsx 3705/ 3708/ 3710/ 3720manuel de mise en œuvre tome 2fre mars 2005. [3] : l’automate tsx 37. [4] :utilisation de l’automate programmable. [5] : automates tsx micro:« automates tsx micro tsx 3705/ 3708/ 3710/ 3720 manuel de mise en œuvre tome 3 tsx dm 37 33f fre ». [6] : andjouh lyes et touati riad, 2013 « automatisation et supervision de la fosse de relevage de la raffinerie d’huile au niveau du complexe agroalimentaire cevital ». [7]: bacem jrad, 2011 /2012: « support de cours : systèmes automatisés ». [8]: grafcet à séquence simultanée ou parallélisme. [9] :C.A.P-B.E.PELECTROTECHNIQUE SESSION 2002 EP2 INTERVENTION TECHNIQUE. [10] : [BEP METIERS DEL’ELECTROTECHNIQUE v1.02003-2004]. [11] : [Maintenance des Equipements Industriel du Lycée Latécoère d’ISTRES www.meilatecoere.com]. [12] : Schneider-catalogue contrôle industriel 99. [13] : Schneider Electric - Catalogue automatismes industriels 2001. 47
