Cours 02 Architecture des automates programmables

Rév.: 03
Enseignant: SMAHI Mokhtar
Module: AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS "API"
Section :
Cours 02: Architecture des automates programmables Industriels
Nombre des étudiants: 30
Temps: 3h00
But: Compréhension de l'architecture "HARD" des API
Objectifs: permettre aux étudiants de:
 Voire connaître l'aspect extérieur des API ;
 Prendre une idée la structure interne d'une API ;
 Comprendre le traitement du programme dans un API.
Préface
??
I-Aspect extérieur
Les automates peuvent être de type compact ou modulaire.
Compact
On distinguera les modules de programmation (LOGO de SIEMENS, ZELIO de SCHNEIDER,
MILLENIUM de CROUZET ...) des micro automates .
Il intègre le processeur, l'alimentation, les entrées et les sorties. Selon les modèles et les fabricants, il
pourra réaliser certaines fonctions supplémentaires (comptage rapide, E/S analogiques ...) et recevoir des
extensions en nombre limité.
Ces automates, de fonctionnement simple, sont généralement destinés à la commande de petits
automatismes.
Automates compacts: LOGO de SIEMENS, ZELIO de SCHNEIDER et MILLENIUM de CROUZET
1
Rév.: 03
Eléments d'un automate programmable compact
Modulaire
Le processeur, l'alimentation et les interfaces d'entrées / sorties résident dans des unités séparées
(modules) et sont fixées sur un ou plusieurs racks contenant le "fond de panier" (bus plus connecteurs).
Ces automates sont intégrés dans les automatismes complexes où puissance, capacité de traitement
et flexibilité sont nécessaires.
Automate modulaire SLC 500 de Allen Bradley
2
Rév.: 03
Automate modulaire SIMATIC S7-300 de Siemens
1 Module d'alimentation
2 Pile de sauvegarde
3 Connexion au 24V cc
4 Commutateur de mode (à clé)
5 LED de signalisation d'état et de défauts
6 Carte mémoire
7 Interface multipoint (MPI)
8 Connecteur frontal
9 Volet en face avant
II-Aspect intérieur
La structure interne d’un automate programmable industriel (API) est assez voisine de celle d’un
système informatique simple.
La structure interne d’un automate programmable industriel (API)
L'unité Centrale CPU
3
Rév.: 03
L'unité centrale est le regroupement du processeur et de la mémoire centrale. Elle réalise toutes les
fonctions logiques, arithmétiques et de traitement numérique (transfert, comptage, temporisation ...). Elle
commande l'interprétation et l'exécution des instructions programme. Les instructions sont effectuées les
unes après les autres, séquencées par une horloge.
Exemple: Si deux actions doivent être simultanées, l'API les traite successivement.
Microprocesseur
Le microprocesseur est connecté aux autres éléments ( mémoires et interfaces entrées sorties) par
des liaisons parallèles appelées bus qui véhiculent les informations sous forme binaire. Il possède également
des liaisons avec l'extérieur pour le dialogue avec l'outil de programmation, raccordement sur terminal ou
sur réseau inter automates.
Une carte processeur moderne set structurée par trois processeurs:

Un micro-processeur standard utilisé pour les fonctionnalités additionnelles (arithmétiques)

Un circuit ASIC (Application Specific Integrated Circuit) pour les traitements purement logiques

Un processeur pour la prise en charge des communications vers la console et les réseaux
informatiques
Carte processeur moderne
Mémoires
Trois types de mémoire cohabitent :

Mémoire du système d'exploitation (ROM ou PROM),

Mémoire du programme (EEPROM)

Mémoire des données lors du fonctionnement (RAM). Elle stock les variables d'entrée (états des
capteurs), les variables de sortie (ordres aux actionneurs), variable Interne (résultats de fonctions,
résultats intermédiaires). Cette dernière est généralement secourue par pile ou batterie.
On peut, en règle générale, augmenter la capacité mémoire par adjonction de barrettes mémoires
type PCMCIA.
4
Rév.: 03
Alimentation
Intégrée ou indépendante de l'automate programmable elle assure la distribution d'énergie aux
différents modules. L'automate est alimenté généralement par le réseau monophasé 230V ; 50 Hz mais
d'autres alimentations sont possibles (110V etc.,... ).
Il est souhaitable d'asservir l'alimentation de l'automate par un circuit de commande spécifique
(contacteur KM1).
Bus interne
Il permet la communication de l'ensemble des blocs de l'automate et des éventuelles extensions.

On constate que:
 Les échanges d’informations entre les différents éléments de l’automates (entrées, sorties,
mémoires) transitent toujours par le processeur
 A cause du fonctionnement séquentiel, il n’y a jamais qu’un seul élément à la fois en
communication avec le processeur

Il est possible d’utiliser un chemin commun et une procédure commune pour les échanges. Celui-ci
est appelé BUS.

Le BUS est constitué de lignes d’adresse, de lignes de données et de lignes de contrôle

L‘automate programmable adopte ainsi la structure typique d’un ordinateur.
5
Rév.: 03
Modules E/S
Modules réalisant l’interface entre les signaux du processus (vers actionneurs ou venant des
capteurs) et les signaux du bus interne de l’automate.
Types d'Entrées / sorties

Logiques TOR: Signaux « tout ou rien » représentant l’état logique de contacteurs, boutons
poussoirs, voyants lumineux, détecteurs de présence, etc.
Typiquement:
 Tensions continues ou alternatives: 12, 24, 48 ou 60 V
 Tensions: 110 ou 220 V

Analogiques pour les PLC qui le permettent: résultent de la transduction de grandeurs physiques:
vitesse, température, pression, etc.
Typiquement:
 Tensions de haut niveau: ex. -10 à +10 V
 Tensions de bas niveau: ex. -50 à +50 mV
 Courants: ex. 0 – 20 mA ou 4-20mA
Fonctions d'un Modules d'entrée
Les principaux éléments d'un module d'entrée logique typique sont:

Adaptation de niveau en fonction des standards;

Protection contre les surtensions;

Visualisation d'état;

Redressement éventuel dans le cas de signaux alternatifs;

Isolation galvanique entre processus et l'automate;

Filtrage destiné à éliminer les parasites hautes fréquences;
6
Rév.: 03

Discrimination des seuils des états logiques 1 et 0;
Solutions technologiques pour l'isolation galvanique
(a) isolation galvanique par opto-coupleur
(b) Isolation galvanique par relais
(c ) Isolation galvanique par transformateur dans le cas de signaux alternatifs.
Branchement des Entrées TOR
Le principe de raccordement consiste à envoyer un signal électrique vers l'entrée choisie sur
l'automate dés que l'information est présente.
L'alimentation électrique peut être fourni par l'automate (en général 24V continu) ou par une source
extérieure.
Un automate programmable peut être à logique positive ou négative.
7
Rév.: 03
Fonctions d'un Modules de sortie
Les principaux éléments d'un module de sortie logique typique:

visualisation d'état

isolation galvanique

adaptation de niveau et de puissance (en général, à partir d'une alimentation extérieure)

protection contre les surcharges (courts-circuits), les surtensions (charges inductives); absorption de
l'énergie de coupure des relais, etc.
Branchement des sorties
Le principe de raccordement consiste à envoyer un signal électrique vers le préactionneur connecté
à la sortie choisie de l'automate dés que l'ordre est émis.
L'alimentation électrique est fournie par une source extérieure à l'automate programmable.
8
Rév.: 03
Fonctions spéciales
En utilisant des microprocesseurs standards pour les automates, ces derniers sont capables de
prendre en charge toute espèce de fonctions spéciales:

Couplage: permet de connecter l’automate à d’autres systèmes de traitement et travaille dans le
contexte de signaux informatiques (pas industriels)

Arithmétiques

Régulation PID: contrôle de processus continus et répond à la plupart des cas de régulation
industrielle

Commande d’axes:

Comptage rapide:

Carte Web

…
Caractéristiques techniques
Les caractéristiques principales d’un API sont :
 Compact ou modulaire
 Sauvegarde (EPROM, EEPROM, pile,…)
 Tension d’alimentation
 Nombre d’entrées / sorties
 Taille mémoire
 Modules complémentaires (analogique, communication,…)
 Temps de scrutation
 Langages de programmation
9
Rév.: 03
Critères de choix
Il faut quantifier les besoins:
Nombre d'entrées / sorties :
le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks dès que le nombre d'entrées /
sorties nécessaires devient élevé.
Type de processeur :
la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur
permettront le choix dans la gamme souvent très étendue.
Fonctions ou modules spéciaux :
certaines cartes (commande d'axe, pesage ...) permettront de "soulager" le processeur et devront
offrir les caractéristiques souhaitées (résolution.)... ,
Fonctions de communication :
l'automate doit pouvoir communiquer avec les autres systèmes de commande (API, supervision ...)
et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (Profibus, ...).
10