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Automate Programmable. Aux États-Unis, vers 1969, lindustrie automobile demande un contrôleur reprogrammable.

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1 Automate Programmable

2 Aux États-Unis, vers 1969, lindustrie automobile demande un contrôleur reprogrammable.

3 Le cahier des charges Condition dutilisation en milieu industriel: bruit électrique, poussière, température, humidité, Contexte: dans les années 60, les ordinateurs exigent un environnement particulier.

4 Le cahier des charges Variété et nombre des entrées/sorties: nombreux types de signaux : grandeur physique : tension, courant, … pression, débit, …. nature : analogique numérique (codé sur 2 N bits, Digital) tout ou rien (logique, Discrete)

5 Ce que les automates offrent aujourdhui Standards (signaux logiques) : + 5 Volts (CC) + 12 Volts (CC) 24 Volts (CA, CC) 48 Volts (CA, CC) 120 Volts (CA, CC) 230 Volts (CA, CC) 100 Volts (CC) Contacts secs (type relais)

6 Ce que les automates offrent aujourdhui Standards (signaux analogiques): Plages de tension: 0 et 5 Volts ; 0 et 10 Volts -5 et +5 Volts ; -10 et +10 Volts Plages de courant: 0 et 20 mA ; 4 et 20 mA

7 Le cahier des charges Simplicité de mise en œuvre: doit être utilisable par le personnel en place programmation facile Contexte: dans les années 60, les ordinateurs sont dune utilisation complexe.

8 Ce que les automates offrent aujourdhui Langage de programmation très simple: LADDER - Diagrammes échelle

9 Le cahier des charges Coûts acceptables Contexte: dans les années 60, les ordinateurs sont dun coût plutôt astronomique.

10 Les précurseurs Allen Bradley 60% du marché Nord-Américain Modicon ALSPA ( France) Télémécanique ( France)

11 Organisation fonctionnelle Schéma de lautomate

12 Organisation fonctionnelle Automate non-modulaire Sortie 24 VDC 0,5 A Entrée VDC Entrées - Sorties analogiques Carte EEPROM

13 Organisation fonctionnelle Automate non-modulaire

14 Organisation fonctionnelle Automate modulaire

15 Module dalimentation Ce module génère lensemble des tensions nécessaires au bon fonctionnement de lautomatisme

16 Module dalimentation

17

18

19

20 Il faut gérer correctement cette ressource

21 Module dalimentation Calcul du bilan de puissance:

22 Module dalimentation Calcul du bilan de puissance:

23 Module dalimentation Choix du bloc dalimentation: On doit avoir au moins A 1

24 Lunité centrale Module de lautomate constitué de : processeur: microprocesseur ou microcontrôleur mémoire: ROM, RAM, EPROM, E2PROM

25 Lunité centrale : Processeur

26 Fonctions: Lecture des informations dentrée Exécution de la totalité des instructions du programme en mémoire Écriture des actions en sortie

27 Lunité centrale : Processeur Technologie câblée: (A+B)*/C A B C LN 210 ON 211 AN 212 = 230

28 Lunité centrale : Processeur Technologie microcontrôlée:

29 Lunité centrale : Processeur Types dinstructions disponibles : Logique Arithmétique Transfert de mémoire Comptage Temporisation Scrutation pas à pas

30 Lunité centrale : Processeur Types dinstructions disponibles : Lecture immédiate des entrées Écriture immédiate des sorties Branchements, sauts Test de bit ou de mot Décalage Conversion Interruption Contrôle P.I.D.

31 Lunité centrale : Mémoire Exprimée en ko ou Mo Gros automates: Quelques Mo. Répartition des zones mémoires : Table image des entrées Table image des sorties Mémoire des bits internes Mémoire programme dapplication

32 Lunité centrale : Mémoire

33 Type de mémoire: RAM: Random Access Memory Entrée des données (écriture) Sortie des données (lecture) RAM Adresse

34 Lunité centrale : Mémoire Type de mémoire: ROM: Read Only Memory Sortie des données (lecture) ROM Adresse

35 Lunité centrale : Mémoire Type de mémoire: PROM: Programmable Read Only Memory Mémoire qui ne peut être programmée quune seule fois (par l'utilisateur en utilisant un PROM programmer ). EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory Mémoire pouvant être programmée plusieurs fois Effaçage par rayons ultra-violets.

36 Lunité centrale : Mémoire Type de mémoire: E2PROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 1.Re-programmer plusieurs fois (entre et fois) 2.Peut être effacée par signaux électriques 3.Coûteuse

37 Lunité centrale : Mémoire Table image des entrées : Copie des entrées reçues. CPU I 124.X I 125.X I 126.X 7 0 Cartes Entrées I 124 Capteur Table image Octets Bits

38 Lunité centrale : Mémoire Table image des sorties : Résultats à envoyer aux sorties. CPU Q124.X Q125.X Q126.X 7 0 Cartes Sorties Q 124 Actionneur Table image Octets Bits

39 Lunité centrale : Mémoire Connexion E/S entre l'API et l'automatisme piloté. Cartes Entrées Cartes Sorties Q 124 Actionneur Q124.X 7 0 I 124.X 7 0 I 124 Capteur I 124.5Q124.1 CPU

40 Lunité centrale : Mémoire Recommandation sur la quantité de mémoire à acheter: On estime que chaque E/S utilise 10 octets On ajoute une marge supplémentaire de 25 à 50 %. ISA: Instrument Society of America

41 Lunité centrale : Mémoire Exemple dun automate ayant: 74 entrées logiques 24 Vcc; 59 entrées logiques 120 Vca; 40 entrées logiques 5 Vcc; 88 sorties logiques 24 Vcc (relais); 37 sorties logiques 120 Vcc (triac). Donc 173 entrées et 125 sorties. Mémoire requise: 10 x ( ) + 25% = 3725 octets. Alors une mémoire minimale de 4 ko recommandée.

42 Lunité centrale Mode de fonctionnement synchrone : Lecture synchrone de toutes les entrées Écriture synchrone à toutes les sorties Fonctionne de façon cyclique

43 Lunité centrale Traitement séquentiel : Remise à 0 du chien de garde Lecture des entrées Exécution du programme Écriture aux sorties

44 Lunité centrale Temps de scrutation vs Temps de réponse : temps Opérateur appui sur bouton Prise en compte Effet en sortie

45 Lunité centrale Spécification de la vitesse de traitement : En millisecondes par kilomots dinstructions logiques Temps de traitement dune opération

46 Lunité centrale Spécification de la vitesse de traitement : Si votre programme comporte beaucoup dinstructions mathématiques et/ou de communication, la spécification en millisecondes par kilomots dinstructions logiques ne tient plus.

47 Lunité centrale Chien de garde (WATCHDOG) Surveille le C.P.U. de façon à éviter les graves conséquences d'un dérèglement de celui-ci Nécessaire puisque le CPU intervient dans 5 pannes sur 1000 La durée de lexécution des tâches, en mode cyclique, est contrôlée par le chien de garde et ne doit pas dépasser une valeur définie lors de la configuration de lAPI. Dans le cas de débordement, lapplication est déclarée en défaut, ce qui provoque larrêt immédiat de lAPI.

48 Lunité centrale Chien de garde (WATCHDOG) À chaque cycle, le C.P.U. doit réarmer le chien de garde, sinon ce dernier entame les actions suivantes: Mise à 0 de toutes les sorties Arrêt de l'exécution du programme Signalisation de la défaillance

49 Les cartes d'entrées/sorties Discrete Input An input that is either on or off. Discrete Output An output that is either on or off.

50 Les cartes dentrées logiques Organisation (partie 1):

51 Rappel : 0.7V I = 0

52 Rappel :

53 Les cartes dentrées logiques Redresseur: Transforme la tension CA en tension CC.

54 Les cartes dentrées logiques Protection contre linversion de tension: Évite de détruire la carte suite à une erreur de câblage. + - Diode bloquée - + Diode passante 0.7V

55 Les cartes dentrées logiques Mise en forme du signal: Détecteur à seuil de tension. Cette différence de tension apporte une immunité aux bruits sur le signal.

56 Les cartes dentrées logiques Mise en forme du signal: Détecteur à seuil de tension. t t V E V S 1 0 t V E V S 1 0

57 57 Spécifications Conversion analogue - numérique

58 58 Résolution

59 59 Résolution Nombre de bits pour représenter le signal analogue Système binaire-bit(binary digit) ¤ 0,1 ¤ On, Off ¤ Ouvert, fermé ¤ 2 états possibles

60 60 Résolution Besoin de plus d'un bit pour représenter la réalité ¤ 1 bit = 2 1 = 2 états ¤ 2 bits = 2 2 = 4 états ¤ 3 bits = 2 3 = 8 états ¤ 8 bits = 2 8 = 256 états ¤ 12 bits = 2 12 = 4,096 états ¤ 16 bits = 2 16 = 65,536 états

61 61 Résolution = plus petit changement de signal détectable le plus petit signal Résolution = Résolution (8 bits)= Plus petit incrément nombre total d'incréments = = 0.39 %

62 62 Résolution Pour une entrée mv à 8 bit ¤ 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 256 ¤ Plus petit changement = 0.39 mv Pour une entrée mv à 12 bit ¤ 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 4096 ¤ Plus petit changement = mv Pour une entrée mv à 16 bit ¤ Plus petit changement = mv

63 63 Résolution Pour une température ºC ¤ 8 bit - > 1 ºC ¤ 12 bit -> ºC ¤ 16 bit -> ºC

64 64 Fréquence d'acquisition Fréquence d'acquisition supérieure au signal d'entrée

65 65 Fréquence d'acquisition Fréquence d'acquisition trop lente = signal faux "aliasing"

66 66 Fréquence d'acquisition Fréquence acquisition ~ 2 fois la fréquence d'entrée (Nyquist)

67 Les cartes dentrées logiques Organisation (partie 2): Vers CPU

68 Les cartes dentrées logiques Immunité aux parasites industriels et élimination des effets de rebondissement: Filtres retardateurs.

69 Les cartes dentrées logiques Séparation galvanique: Protection de lautomate contre des surtensions. Un optocoupleur ou photocoupleur est un dispositif optoéléctronique qui transmet des informations logiques ou analogiques sous forme de signal électrique via une voie optique qui isole électriquement l'entrée de la sortie. Une des fonctions principales est d'assurer l'isolement électrique donc de prévenir des perturbations de fonctionnement des équipements et matériels. On utilise généralement des liaisons optocouplées pour transmettre des informations logiques entre un ordinateur et un banc de mesure.

70 Les cartes dentrées logiques Séparation galvanique: La polarisation directe de la diode d'entrée entraine l'émission d'un flux de photons captés par le phototransistor de sortie. Du point de vue électrique, les 2 élements d'entrée et de sortie sont totalement indépendants et sont maintenus à distance l'un de l'autre par des matériaux résistants sur la plan mécanique et isolants sur le plan électrique.

71 Les cartes dentrées logiques Visualisation de létat logique: Diode électroluminescente ( Light-Emitting Diode - LED).

72 Les cartes dentrées logiques Entrée CC typique: Entrées TTL (Transistor - Transistor Logic) avec une tension de 0 à 5v. Protection contre linversion Protection galvanique Filtre

73 Les cartes dentrées logiques Entrée CA typique:

74 Spécifications (exemple) Nombre de points dentrée Plage de tension dentrée Tension maximale Plage de fréquence (CA) Courant tiré de lentrée État logique OFF État logique ON Types dentrée

75 Spécifications (exemple)

76 Les cartes dentrées logiques Recommandation sur le nombre de cartes dentrées à acheter: Nombre dentrées + 20 % ISA: Instrument Society of America Exemple dun automate ayant: 74 entrées logiques 24 Vcc; 59 entrées logiques 120 Vca; 40 entrées logiques 5 Vcc.

77 Les cartes dentrées logiques Nombre de cartes de 16 points de 24 Vcc requises: % = 88,8 entrées 88,8/ 16 : 6 cartes (96 entrées) Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises: % = 70,8 entrées 70,8/8 : 9 cartes (72 entrées)

78 Les cartes dentrées logiques Nombre de cartes de 16 points de 5 Vcc requises: % = 48 entrées 48/16 3 cartes (48 entrées)

79 Les cartes de sorties logiques Organisation (partie 1):

80 Les cartes de sorties logiques Mémorisation du résultat sur la carte

81 Les cartes de sorties logiques Séparation galvanique: Protection de lautomate contre des surtensions.

82 Les cartes de sorties logiques Organisation (partie 2): Vers actionneur

83 Les cartes de sorties logiques Commutation et amplification de puissance adapté à la charge Ib Ic Ic = B*Ib

84 Les cartes de sorties logiques Protection contre linversion de tension et protection contre les surcharges

85 Les cartes de sorties logiques Visualisation de létat logique: Diode électroluminescente.

86 Les cartes de sorties logiques Sortie CC de type source (API est la source qui fournit le courant) : Courant électrique Ic = B1*B2*Ib

87 Les cartes de sorties logiques Sortie CC de type sink (API reçoit le courant) : Courant électrique

88 Les cartes de sorties logiques Sortie CA à triac (montage de deux diodes en tête-bêche) :

89 Spécifications (exemple) Nombre de points de sortie Plage de tension dutilisation Tension maximale Type de sortie Plage de fréquence (CA) Courant de charge maximal Par point Par groupe de points

90 Spécifications (exemple)

91 Les cartes de sorties logiques Recommandation sur le nombre de cartes de sorties à acheter: Nombre de sorties + 20 % ISA: Instrument Society of America

92 Les cartes de sorties logiques Exemple dun automate ayant: 88 sorties logiques 24 Vcc (relais); 37 sorties logiques 120 Vcc (triac). Nombre de cartes de 16 points relais de 24 Vcc requises: % = 105,6 sorties 105,6/16 : 7 cartes (112 sorties) Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises (triac): % = 44,4 sorties 44,4/8 : 6 cartes (48 sorties)

93 Les cartes de sorties logiques

94 Cartes I/O analogiques Conversion des valeurs analogiques La CPU ne traite que des valeurs analogiques binaires. Le module dentrées analogiques convertit un signal analogique issu du processus en un signal numérique. Un module de sorties analogiques convertit un signal de sorties numériques en un signal analogique.

95 Cartes dentrées analogiques Lacquisition de signaux proportionnels à une grandeur physique donnée est obtenue par des cartes dentrées analogiques (température, débit, position,...)

96 Cartes dentrées analogiques Schéma de principe dune boucle analogique mA: CapteurAPI

97 Cartes dentrées analogiques Principe: AMPLI Sonde de température Plage: 0°C à 250°C PLC Plage: 0 V à 5 V Signal électrique Plage: 0 à 255 Valeur numérique Mesure: 68°C Mesure: V Mémoire: 69

98 Spécifications Résolution du convertisseur A/N : 8, 10, 12 ou 16 bits (de $ à $$$$) précision de la carte (ampli) temps de conversion : de dizaines à centaines de ms (de $$$$ à $) Nombre de points dentrée : 1, 2, 4 ou 8 Plage de tension ou de courant

99 Cartes de sorties analogiques Sert à envoyer à un actionneur un signal proportionnel à lampleur de laction voulue Ex. 1: Ouverture dune valve Ex. 2: Vitesse dun moteur CC

100 Cartes de sorties analogiques Principe: DRIVE Moteur électrique Plage: 0 RPM à 4500 RPM PLC Plage: 4 mA à 20 mA Signal électrique Plage: 0 à 1023 Valeur numérique Vitesse: RPM Génère: mA Mémoire: 888

101 Spécifications Résolution de la carte : 8, 10, 12 et 16 bits (de $ à $$$$) Temps de conversion : de l ordre des qq sec Nombre de points de sortie : 1, 2, 4 ou 8 Plage de tension ou de courant Charge maximum admissible

102 Cartes de sorties analogiques

103 Interfaces de communication But: permettre le dialogue avec dautres automates, des imprimantes, des calculateurs, des consoles de visualisation, des consoles de programmation Moyen données GénérationDetectionTransfert Canal 1 de transmission Canal 2 de transmission Canal n de transmission

104 Interfaces de communication Transmission « Half Duplex » (transmission dans un seul sens à un instant donné) Transmission « Full Duplex » (transmission dans les deux sens à un instant donné)

105 Interfaces de communication Méthodes de transmission : Communication parallèle : Communication se série

106 Interfaces de communication Méthodes de transmission : Communication parallèle : Transmission de chaque bit par un canal 8, 16, 32, … canaux Avantage : vitesse de transmission de données très élevée Inconvenient : décalage et donc problème de synchronisation au niveau du récepteur. Résultat : les distances doivent être courtes.

107 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Echo check Vertical Redunduncy Check Longitudinal Redunduncy Check Cyclical Redunduncy Check

108 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Echo check Le récepteur re-transmet chaque caractère à lémetteur pour vérification et retransmission si nécessaire (la retransmission est effectuée un nombre donné de fois.

109 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Vertical Redunduncy Check Vérification du bit de parité Bit de parité: Parité paire Nombre de 1 transmits pair Parité impaire Nombre de 1 transmit impair

110 110 Bit de parité: ¤ Parité paire Nombre de 1 transmits pair ¤ Parité impaire Nombre de 1 transmit impair Les interfaces de communication

111 111 Bit de parité: ¤ En cas derreur, détection possible Ex: parité paire Les interfaces de communication

112 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Vertical Redunduncy Check (VRC) Mise en place du bit de parité par lémetteur. Vérification du nombre de 1 reçu par le récepteur. Lerreur est détectée si dans une transmission VRC à parité pair le nombre de 1 reçu est impair ! Donc demande de re-transmission. Parité impaire

113 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Longitudinal Redunduncy Check (LRC) Utilisé avec VRC. Mise en place des bits de parité VRC et LRC par lémetteur. Calcul du bit de parité LRC par le récepteur. Comparaison. Parité impaire

114 Interfaces de communication Contrôle derreurs et correction : Longitudinal Redunduncy Check (LRC) Utilisé avec VRC. Emetteur Récepteur ? ? 1

115 Interfaces de communication Trame de transmission: Sans communication, niveau logique de la ligne = 1. Bits de départ (de niveau 0) indiquant début du message. Message de 7 ou 8 bits. Bit de parité. Détection derreur. Bits darrêt (de niveau 1), utile lorsque les trames se suivent sans délais.

116 Interfaces de communication Vitesse de transmission: Nombre de bits par seconde BAUD. Télex: 300 Bauds Message de 1 ko : 33.3 secondes Fibre optique: Bauds Message de 1 ko : 1,25 micro.s Baud Rate A way of describing the amount of data that can be sent on a signal line. Often used synonymously with bits per second; however, baud rate was originally intended for use in telegraphy application to refer to signal events per second.bits

117 Interfaces de communication Liens réseaux: Ethernet MAP III GM Devicenet Controlnet Profibus...

118 Les modules PID Permet de réaliser des fonctions de régulation sans avoir recours au CPU. Certains automates ont un (ou des) PID intégré dans le CPU. Cest le CPU qui fait le calcul ! Limitation importante au niveau de la période d échantillonnage des signaux analogiques: Généralement : >100 ms Certain modèles ($$$) : >10 ms Système à dynamique lente !! (ex. : four)

119 Le contrôle de déplacement rotatif Le codeur rotatif est : - un capteur de position angulaire, - lié mécaniquement à un arbre qui l'entraîne.

120 Le contrôle de déplacement rotatif Principe : Une lumière émise par des diodes électrolumineuses, (DEL) traverse les fentes du disque et crée sur les photodiodes réceptrices un signal analogique. Une interface électronique (qui est inclue dans le codeur) amplifie ce signal puis le convertit en signal carré transmis à lAPI.

121 Le contrôle de déplacement rotatif Types : - Codeur absolu - Codeur incrémental

122 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Communication en parallèle.

123 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Exemple :

124 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Exemples : Code binaire naturel et code binaire réléchi

125 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Utilisation de différents codes:

126 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Code Gray recommandé: Impossible de sassurer mécaniquement que plusieurs bits changent en même temps Avec le code Gray, un seul bit change à la fois Spécifications: Nombre de bits dentrées Largeur du codage Vitesse dévolution des signaux dentrée

127 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur incrémental Communication sérielle.

128 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur incrémental Principe : Le disque d'un codeur incrémental comporte deux types de pistes : Piste extérieure : est divisée en « n » intervalles d'angles égaux alternativement opaques et transparents. « n » s'appelant la résolution ou nombre de périodes ; c'est en effet le nombre d'impulsions qui seront délivrées par le codeur pour un tour complet de son disque. Derrière la piste extérieure sont installées deux photodiodes décalées qui délivrent des signaux carrés A et B en quadrature.

129 Le contrôle de déplacement rotatif : codeur incrémental Principe : Le disque d'un codeur incrémental comporte deux types de pistes : Piste intérieure : (voie 2) comporte une seule fenêtre transparente. Celle-ci ne délivre donc qu'un seul signal par tour. Ce signal Z appelé «top zéro» dure 90° électriques et est synchrone des signaux A et B. Ce «top zéro» détermine une position de référence et permet la réinitialisation à chaque tour.

130 Les cartes de comptage rapide Sadaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions.

131 Les cartes de comptage rapide Spécifications: Fréquence des signaux dentrée Généralement <100 kHz Domaine de comptage Nombre de bits du registre de comptage Fonctionnement en quadrature ou non

132 Les cartes daxes Pour le contrôle dun ou de plusieurs moteurs CA / CC / Pas-à-pas Commande numérique intégrée Interpolation linéaire, circulaire Remarque : Les moteurs ne peuvent être asservis avec les modules PID. Périodes d échantillonnage plus courtes sont requises.

133 Les modules dinterruption Une interruption est une section de programme qui est exécutée immédiatement lors de loccurrence dun événement déclencheur. Les entrées du module servent de déclencheur à ces interruptions.

134 Les modules dinterruption Un automate peut réagir à diverses sources dinterruptions. Signaux dentrées : Temps Heure et jour donné Périodique

135 Les interruptions Principe de linterruption Programme normal Interruption (OB13)

136 Les terminaux industriels Ils assurent les fonctions de programmation & de maintenance du logiciel des automates.

137 Les terminaux industriels Permettent (sans interrompre lexécution du programme en cours) : décrire et interpréter sous forme interactive, l ensemble des instructions du programme de mettre au point par simulation, ou par contrôle logiciel, léxécution du programme de sauvegarder le programme de suivre en temps réel lévolution du cycle dinterroger et modifier : létat dun mot ou dun bit mémoire, létat dun mot ou dun bit dE/S

138 Norme de cablâge autour des automates

139 Langages standards Langages graphiques: LD : Ladder Diagram (Diagramme échelle) FBD : Function Block Diagram (Logigramme) SFC : Sequential Function Chart (GRAFCET) Langages textuels: IL : Instruction List (Liste dinstructions) ST : Structured Text (Texte structuré)

140 FBD Function Block Diagram Exemple

141 SFC Sequential Function Chart Exemple

142 IL Instruction List Exemple

143 ST Structured Text Exemple

144


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