Un automate programmable industriel (API) est une machine électronique, programmable par un personnel non informaticien et destiné à piloter, en temps réel et en ambiance industrielle, des procédés logiques. C'est un outil :
 adapté vis à vis des Entrées/Sorties industrielles, du traitement de fonctions logiques courantes, des coupleurs spécialisés, de la délocalisation ;
 adapté vis à vis de l'environnement : température, humidité, vibration, parasites électriques et électromagnétiques ;
 adapté aux tâches de conception et de réalisation. Par un outil de dialogue permettant de décrire et d'implanter l'application dans un langage simplifié adapté aux tâches de mise au point ;
C’est également un outil de dialogue permettant l'édition et la modification ponctuelle, le transfert de programme, la simulation, la visualisation dynamique, etc …adapté aux tâches d'exploitation en mode normal et en mode dégradé.
1. Fonctions globales d’un système automatisé.

Un système de production a pour but d’apporter une valeur ajoutée à la matière d’œuvre. Il élabore des produits qui peuvent être :
 Soit des produits finis, directement commercialisables.
 Soit des produits intermédiaires servant à la réalisation des produits finis. Ainsi, l’automate doit remplir deux fonctions principales :
 un rôle de commande en élaborant des actions selon un algorithme approprié, à partir des informations fournies par les détecteurs (Tout-ou-Rien) et les capteurs (analogiques ou numériques).
 un rôle de communication, dans le cadre de l’exploitation, avec :
o l’opérateur humain (dialogue homme-machine).
o les autres automates hiérarchiquement supérieurs (calculateurs de gestion de production).
o les automates de rang égaux (répartition du contrôle d’une application sur plusieurs automates.
o les éléments de rang inférieur (instrumentation intelligente). Les fonctions du système de contrôle/commande sont :
 fonctions logiques: remplir la cuve (durée, volume, niveau...), la vidanger, agiter la solution, mettre le chauffage.
 des fonctions de régulation : réguler la température autour de la consigne, réguler le pH de la cuve.
 des fonctions de production: calculer le point d'arrêt de la fermentation...
 des fonctions de surveillance : débordement de cuve, excès de température, de pH, dérive du processus de fermentation
des fonctions de communication : dialogue opérateur, dialogue réseau avec les autres entités informatiques. Le système de production est également alimenté en énergies (électrique, pneumatique,
hydraulique…). Il génère des déchets divers : chutes de coupes, eaux sales… Le fonctionnement du système de production nécessite différentes interventions humaines, à savoir :
 Le personnel d’exploitation, qui assure la surveillance, l’approvisionnement et participe parfois au procédé de production.
 Le personnel de réglage, qui procède aux interventions nécessaires pour obtenir la qualité recherchée ou pour démarrer une campagne de production.
 Le personnel de maintenance, qui intervient lorsque le système de production se trouve en défaillance et procède aux opérations de maintenance préventive et curative.
 

Les objectifs poursuivis par une automatisation peuvent être assez variés. On peut retenir quelques-uns :  La recherche de coûts plus bas, par réduction des frais de main-d’œuvre, d’économie
de matière, d’économie d’énergie,…  La suppression des travaux dangereux ou pénibles et l’amélioration des conditions de travail.  La réalisation d’opérations impossibles à contrôler manuellement.
La compétitivité d’un produit final peut être définie comme sa capacité à être bien vendu. La compétitivité résulte essentiellement des résultats obtenus sur les facteurs suivants : coût, qualité, innovation, disponibilité.
L’automatisation des équipements de production peut améliorer les coûts, la qualité et même la disponibilité des produits. Il est cependant important de vérifier que le produit sur lequel
s’applique cette automatisation soit optimisé et réponde toujours aux besoins du marché.
 

2. Architectures globales d’un système de production.
2.1. Architecture à Machines autonomes.

Chaque machine réalise une étape dans l’élaboration du produit. La manutention entre machine, les chargements et déchargements sont nombreux, coûteux et longs. Ils sont le plus souvent manuels.

2.2. Architecture à Machines associées en ligne. Le produit passe automatiquement d’une machine à la suivante. Dans ce cas simple, c’est le transfert du produit lui-même qui assure la liaison entre les machines.

2.3. Architecture à Cellule de production à Commande centralisée.
La nécessité de coordonner l’action des machines a d’abord conduit à centraliser leurs commandes, ce qui par ailleurs a compliqué les interventions locales de réglage et de dépannage.

2.4. Architecture à Cellule à commande décentralisée et coordonnée. Un retour aux commandes décentralisées s’est imposé, mais avec une coordination entre machines ici assurée par liaisons inter niveaux.

2.5. Architecture à Cellule flexible à commande répartie et hiérarchisée. Le besoin de flexibilité conduit à prévoir des transferts libres de produits de machine à machine : une machine donnée peut traiter ou non le produit présenté. Les liaisons iso-niveau complètent les liaisons inter-niveaux qui assurent la communication avec la supervision.

II.3. Architecture interne d’un système automatisé de production.

Les systèmes automatisés, utilisés dans le secteur industriel, possèdent une structure de base identique. Ils sont constitués de plusieurs parties plus ou moins complexes reliées entre elles, à savoir :

 la partie opérative (PO) ;

 la partie commande (PC) ou système de contrôle/commande (SCC) ;

 la partie relation (PR) de plus en plus intégrée dans la partie commande.

II.4. La partie commande.

Ce secteur de l’automatisme gère, selon une suite logique, le déroulement ordonné des opérations à réaliser. Il reçoit des informations en provenance des capteurs de la Partie Opérative, et les restitue vers cette même Partie Opérative en direction des pré-actionneurs et actionneurs.

Cette partie commande peut être décrite soit algorithme, soit par GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande étape / Transition.

La partie commande comportent quatre parties principales :

 Des mémoires ;

 Un processeur ou unité centrale ;

 Des interfaces d’Entrées/Sorties ;

 Une alimentation (240 Vac → 24 Vcc).

Ces quatre parties réunies forment un ensemble compact appelé automate.

Les trois (3) premières parties sont reliées entre elles par des bus (ensemble de lignes de transport d’information).

La machine est dite UNIBUS lorsque toutes les informations transitent par un seul BUS. Cependant, les performances des API modernes sont liées en général à une structure MULTIBUS, le cas le plus courant consiste à réserver un BUS d'E/S pour les échanges avec l'extérieur.

4.1. L'Unité Centrale

L'Unité Centrale d'un API doit savoir :

 traiter des variables binaires (travail sur BIT) mais aussi permettre le travail sur MOT pour le traitement numérique et analogique.

 travailler en temps réel ou du moins avoir un temps de cycle très court.

 interpréter le langage utilisateur. Actuellement la majorité des API sont à base de microprocesseur.

4.2. La mémoire.
La mémoire centrale est découpée en plusieurs zones :

 zone mémoire programme ;

 zone mémoire des données (états des E/S, valeurs des compteurs, temporisations, ...), zone où sont stockées des résultats de calcul utilisées ultérieurement dans le programme, zone pour les variables internes.

Il existe différents types de mémoires :

 Les mémoires vives : RAM, ce sont des mémoires volatiles. elles perdent l’information en cas de coupure de l’alimentation. Certaines d’elles sont équipées de batteries de sauvegarde (autonomie réduite). Elles sont accessibles en lecture et en écriture.

 Les mémoires mortes : les contenus sont figés. Les informations sont conservées en permanence sans source externe. Il existe plusieurs types.

o ROM : mémoire programmé par le fabriquant et ineffaçables.

o PROM : vendues vierges et programmables une seule fois par l’utilisateur.

o EPROM : utilisables plusieurs fois (écriture / effacement). Effacement à l’UV (Ultra violet) pendant 10 à 30 minutes. Elles ne peuvent être reprogrammées qu’après un effacement total.

o EEPROM : effacement électrique et reprogrammation rapide sur place.

4.3. Les interfaces d’ENTREE.

Les interfaces d’entrées permettent la connexion à l’API d’une multitude de capteurs pouvant être :

 TOR (logiques ou Tout Ou Rien).

 Numériques.

 Analogiques.

Les signaux fournis par ces différents capteurs sont mis en forme par l’interface d’entrée avant d’être stockées dans la mémoire de données.

Dans le cas des entrées TOR, la norme NF C 63850 précise les valeurs limites de la tension à appliquer sur les entrées pour obtenir les deux états logiques, dans une convention de logique positive.

Dans le cas des entrées analogiques elles doivent satisfaire les caractéristiques suivantes :

 De -10 à +10V, impédance interne minimale de 500Ω.

 De 4 à 20 mA, impédance interne maximale de 300Ω.

 Des paramètres relatifs à :

• Bande passante.
• Temps de conversion.
• Isolement.
• Surtension admissible…

Un module d’entrées TOR doit permettre à l’unité centrale de l’API, d’effectuer une lecture de l’état logique des capteurs qui lui sont associés. A chaque entrée correspond une voie qui traite le signal électrique pour élaborer une information binaire qui est ensuite mémorisée dans la mémoire de donnée.

Chaque voie est filtrée (parasites, rebondissements des contacts…) et isolée électriquement de l’extérieur pour des raisons de fiabilité et de sécurité.

a) Constitution fonctionnelle d’une entrée logique.

On distingue en particulier :

 L’immunité aux parasites industriels par filtrage et circuit retardateur (temporisateur).

 L’isolement entre l’extérieur et la partie logique de l’API obtenu en général avec un coupleur opto-électronique qui est l’association, dans un même boîtier, d’une diode électroluminescente et d’un photo-transistor.

b) Raccordement des capteurs TOR aux entrées de l’API.

Il existe une multitude de capteurs sur le marché ; leur point commun est le type de raccordement électrique.

Capteurs deux fils : ils se câblent comme des interrupteurs de position mécaniques. Leur courant résiduel ou leur tension de déchet peut les rendre incompatibles avec certains API.

Capteurs trois fils : Attention il en existe de deux types, à sortie PNP pour les automates à commun de masse et NPN pour les automates à commun d’alimentation.

c) Constitution fonctionnelle d’une entrée analogique.

Un 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 : la sonde résistive est reliée directement au module, lequel réalise une conversion du courant délivré par la sonde avant écriture d’un mot (de n bits) dans la mémoire.

Les interfaces de sortie amplifient, aiguillent et mémorisent les signaux de commande vers les actionneurs externes, à la demande du processeur.

4.4. Les interfaces de sortie.

Elles peuvent être logiques, ou TOR (Tout Ou Rien) ou analogiques.

a) Constitution fonctionnelle d’une sortie logique.

On distingue en particulier :

 L’isolement opto-électronique,

 Les protections contre :

• L’inversion des polarités de l’alimentation extérieure.
• Les courts-circuits et les surcharges.
• Les diverses solutions de commutation. Le choix du type de sortie est fonction de la nature de la charge : puissance, nature du courant, type inductif ou résistif.

Un module de sorties permet à l’API d’agir sur les actionneurs. Il réalise la correspondance Etat logique / Signal électrique.

Périodiquement, le processeur adresse le module et provoque l’écriture des bits d’un mot mémoire sur les voies de sorties du module. L’élément de commutation est soit électronique (transistor, triac) soit électromécanique (contact de relais internes au module).

Le choix d’une interface de sortie se fait suivant :

 Le type de charge (DC/AC, tension, courant).

 L’isolation souhaitée.

 La cadence de fonctionnement.

 Le nombre de manœuvre.

 L’alimentation des différents préactionneurs est toujours fournie par une source de tension externe.

b) Constitution fonctionnelle d’une sortie analogique.

Chaque sortie est l’image analogique de la valeur numérique codée sur une chaîne de bits (en général de 8 à 12 bits) définie par programme. Les modules analogiques de sortie permettent, associés à des préactionneurs (gradateurs de puissance, variateurs de vitesse…), de réaliser des fonctions de commande et de régulation

4.5. Le module 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.

Plusieurs niveaux de tension peuvent être utilisés par les circuits internes (3v, 5v, 12v, 24v…) il sera dimensionné en fonction des consommations des différentes parties.

5. La partie opérative. C’est la partie visible du système. Elle comporte les éléments du procédé, c’est à dire :

 des pré-actionneurs (distributeurs, contacteurs, relais, distributeur, etc.) qui reçoivent des ordres de la partie commande ;

 des actionneurs (vérins, moteurs, vannes) qui ont pour rôle d’exécuter ces ordres. Ils transforment l’énergie pneumatique (air comprimé), hydraulique (huile sous pression) ou électrique en énergie mécanique ;

 des capteurs qui informent la partie commande de l’exécution du travail. Par exemple, on va trouver des capteurs mécaniques, pneumatiques, électriques ou magnétiques montés sur les vérins. Le rôle des capteurs (ou détecteurs) est donc de contrôler, mesurer, surveiller et informer la PC sur l’évolution du système.

5.1. Les capteurs Tout Ou Rien.

Dès qu’une grandeur physique est détectée (ou change d’état), ils délivrent en sortie un signal électrique ou une pression pneumatique. Il existe plusieurs capteurs T.O.R., par exemple :

 Les capteurs à commande manuelle destinés à l’équipement des pupitres et des postes de commande comme des boutons poussoirs, les boutons à 2 ou 3 positions, les arrêts ”coup de poing”. La commande est fournie par l’opérateur ;

 Les capteurs à commande mécanique ou interrupteurs de position situés sur la partie opérative, ils détectent par contact la présence d’une partie mobile (par ex : la tige d’un vérin).

5.2. Les capteurs sans contact.

Citons par exemple :

 Les capteurs de proximité à jet d’air. Ces capteurs fluidiques permettent la détection sans contact mécanique, par réflexion d’un jet d’air, de la présence ou du passage d’une pièce. Le fonctionnement est assuré par un relais amplificateur. Détection de 0 à 6 mm ;

 Les détecteurs de proximité magnétique. Les Interrupteurs à Lame Souple (ILS) se ferment au passage d’un aimant. Ils ont comme avantages : l’élimination des problèmes mécaniques, un encombrement réduit (donc on peut monter plusieurs capteurs côte à côte), une endurance élevée (107 manœuvres). Dans cette catégorie, il existe aussi les détecteurs inductifs pour les métaux ferreux, capacitifs pour les métaux non ferreux, infrarouges pour localiser une source de chaleur.

 Les détecteurs de passage photoélectrique (barrage ou réflexion) pour lesquels la source de lumière est une diode électroluminescente infrarouge.

5.3. Les codes-barres.

Ce procédé de détection, dont l’invention remonte en 1950, permet une identification précise et sans erreur d’un produit. Il est très employé dans les domaines agro-alimentaires, pharmaceutiques et industriels. Une étiquette, composée de barres noires et blanches alternées verticales, est lue par un crayon optique. Il existe deux familles de codes :

 Les codes dits ”alimentaires”, composés de barres et d’espaces dont la largeur peut varier de 1 à 3 ;

 Les codes industriels toujours composés de barres et d’espaces larges représentant le 1 logique et de barres et d’espaces minces représentant le 0 logique.

6. La partie relation.

Sa complexité dépend de l’importance du système. Elle regroupe les différentes commandes nécessaires au bon fonctionnement du procédé, c’est à dire marche/arrêt, arrêt d’urgence, marche automatique, etc.

L’outil de description s’appelle le Guide d’études des Modes de Marches et d’Arrêts (GEMMA). Les outils graphiques, que sont le GRAFCET et le GEMMA, sont utilisés par les automaticiens et les techniciens de maintenance.

 

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2017-01-17 19:00:50 / mazoughou@magoe.gn