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1 GPA140 Lingénieur en production automatisée Conçu par Guy Gauthier (août 2001) Modifié par Pascal Côté & Jacques-André Landry (2002, 2003, 2004), Ilian.

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1 1 GPA140 Lingénieur en production automatisée Conçu par Guy Gauthier (août 2001) Modifié par Pascal Côté & Jacques-André Landry (2002, 2003, 2004), Ilian Bonev (2005)

2 2 Plan de cours

3 3 Encadrement Mes coordonnées Courriel : Tél. : poste 8403 Local : 3736 Mon expertise : robots parallèles

4 4 Encadrement (suite) Exemple de robot parallèle Robot de transfert Tripteron (Université Laval)

5 5

6 6 Objectifs spécifiques – automates programmables ; – la logique booléenne ; – le GEMMA. – le langage GRAFCET ; – les diagrammes échelle ;

7 7 Évaluation Laboratoire 1 : 5 % Laboratoire 2 :10 % Laboratoire 3 : 10 % Projet : rapport (30 mars)10 % oral (30 mars et 6 avril)5 % Intra : (23 février)25 % Final :35 % ?

8 8 Documentation Notes de cours disponibles sur le site Web :

9 9 Cours 1 : Introduction

10 10

11 11 Historique – Définitions Selon les techniciens : Selon les techniciens : Encyclopédia Universalis « Lautomatisation consiste à rendre automatique les opérations qui exigeaient auparavant lintervention humaine » Encyclopédia Universalis Une autre définition : Une autre définition : Encyclopédia Universalis « Lautomatisation est considérée comme létape d un progrès technique où apparaissent des dispositifs techniques susceptibles de seconder lhomme, non seulement dans ses efforts musculaires, mais également dans son travail intellectuel de surveillance et de contrôle. » Encyclopédia Universalis

12 12 Historique – Les précurseurs Blaise Pascal pascaline Blaise Pascal ( ) : Automatisation du calcul (La pascaline)

13 13 Historique – Les précurseurs (suite) Pour y arriver il a dû utiliser le principe de représentation des nombres en binaire! Cest la première fois que lon applique ce genre de représentation. Afin daider son père dans son travail dadministration fiscal Blaise Pascal invente une machine à additionner et soustraire.

14 14 Historique – Les précurseurs (suite) On doit aussi à Blaise Pascal quelques découvertes importantes appliquées encore aujourdhui en génie : –Pression atmosphérique –Pression atmosphérique : Étude sur le vide produit dans une colonne de mercure. –Calcul différentiel et intégral –Calcul différentiel et intégral (MAT115!!!) : Étude sur les cycloïdes et les volumes de révolution.

15 15 Historique – Les précurseurs (suite) Charles Babbage Charles Babbage ( ) Programmation des métiers à tisser Jacquard par carte perforée.

16 16 Historique – Les précurseurs (suite) Les travaux de Babbage sont à lorigines de linvention de l'ordinateur. Il inventa le principe de la carte perforée qui sera utilisé au moins jusquà la fin des années Afin de programmer les métiers à tisser il pensa à un calculateur universel possédant : système de gestion entrées/sorties ; mémorisation interne ; transfert de données ; organe de commandes ; opérateur arithmétique. Malheureusement la machine na jamais été implantée à cause de la technologie rudimentaire de lépoque.

17 17 Historique – Les industries La naissance de la civilisation industrielle commence avec linvention de la machine à vapeur (18 e siècle). La plupart des industries sont localisées en Angleterre. –Transformation du coton, fonte du fer. Isaac Singer Isaac Singer –Machine à coudre en 1851 Hamilton Smith Hamilton Smith –Laveuse à linge en 1858

18 18 Historique – Les industries (suite) Dès 1860, limplantation à grande échelle des nouveaux moyens de transport (bateau à vapeur et train) fait exploser le commerce. En dépit dune énorme extraction de charbon, cette source ne suffit plus. On voit alors apparaître lhydro- électricité et le pétrole. En 1914, avant la première guerre mondiale, les automobiles sont de plus en plus populaires. Cest le début de la production en série.

19 19 Historique – Les industries (suite) Ford Model T 1908 Ford Quadricycle 1896 Henry Ford Henry Ford ( ) : –Début dune nouvelle forme dusine ( ) ; –Avec Ford, les États-Unis prennent une longueur davance sur les autres pays en ce qui concerne la production en série.

20 20 Historique – Les industries (suite)

21 21 Historique – Les industries (suite) Les trois grandes contributions dHenry Ford : Les cellules de travail 1) Les cellules de travail : Ce nest plus les employés qui se déplacent mais la voiture qui avance le long de la chaîne de montage. (de 728 à 93 minutes par voiture !) Application du principe de Taylor 2) Application du principe de Taylor : Les ouvriers doivent être bien payés car ce sont eux qui seront les plus susceptibles dacheter les voitures produites Standardisation des pièces 3) Standardisation des pièces : Toutes les pièces doivent être interchangeables afin de permettre une maintenance et un assemblage plus facile. Introduction du contrôle de qualité et de la cotation fonctionnelle.

22 22 Historique – Les industries (suite) Lindustrie automobile contribue grandement à lessor de lautomatisation. –Vers 1960 lindustrie automobile a besoin dun contrôleur reprogrammable pour permettre une plus grande flexibilité des chaînes de production. –Cest la naissance des automates programmables!

23 23 Historique – Aujourdhui Depuis les années 60 les ordinateurs sont en pleine expansion et sont intégrés à part entière dans tous les processus dune entreprise. Avec la lutte féroce qui ce joue, les entreprises ne doivent pas seulement optimiser les équipements, mais aussi la façon dintégrer le marché et la façon de gérer leur entreprise. Tous ces aspects vous seront montrés tout au long de votre baccalauréat en GPA!

24 24 Buts de lautomatisation Éliminer les tâches répétitives ou sans intérêt (ex: lavage du linge ou de la vaisselle…) Simplifier le travail de l'humain (Toute une séquence dopération remplacée par lappui sur un poussoir) Augmenter la sécurité (Éviter les catastrophes)

25 25 Buts de lautomatisation (suite) Accroître la productivité (cadences de production plus élevées, pas de fatigue) Économiser les matières premières et l'énergie (production plus efficace) Maintenir la qualité

26 26 Conséquences de lautomatisation Augmentation du taux de production Diminution du coût dachat des produits Uniformité dans les produits manufacturés Réduction des accidents de travail Opérations hasardeuses possibles !

27 27 Conséquences de lautomatisation (…) Diminution des emplois… –On remarque une diminution de la main dœuvre par unité produite. –Diminution des emplois pour travailleurs non qualifiés et augmentation des emplois pour les travailleurs qualifiés Certains types demplois deviennent très monotones et répétitifs (ex: inspection et surveillance des machines) !

28 28 Structure dun automatisme

29 29 Structure dun automatisme (suite) La partie commande La partie commande –Automates programmables –Séquenceurs (électromécaniques ou pneumatiques) –Microcontrôleurs –Cartes dédiées –Etc.

30 30 Structure dun automatisme (suite) La partie opérative La partie opérative –Moteurs électriques (CA ou CC) –Vérins (pneumatiques ou hydrauliques) –Vannes (électriques ou pneumatiques) –Éléments chauffants –Etc.

31 31 Structure dun automatisme (suite) La partie relation La partie relation –Panneaux de commande Voyants, indicateurs Poussoirs, sélecteurs –Interfaces Homme-Machine –Alarmes –Etc.

32 32 Structure dun automatisme (suite) Ces trois parties comprennent : –Des fonctions ou organes binaires ; –Des fonctions de logique combinatoire ; –Des fonctions de logique séquentielle.

33 33 Structure dun automatisme (suite) La logique combinatoire La logique combinatoire –Définition : Létat logique des sorties est fonction de l'état des entrées –Applications : Circuits de sécurité et de verrouillage Systèmes séquentiels simples –Méthode de résolution : Tables de Karnaugh ou de Mahoney

34 34 Structure dun automatisme (suite) La logique séquentielle La logique séquentielle –Définition : Létat logique des sorties est fonction de l'état des entrées et du passé du système –Applications : Toutes tâches de nature séquentielle –Méthode de résolution : Méthode basée sur la logique combinatoire Méthodes intuitives (géométriques) GRAFCET

35 35 Structure dun automatisme (suite) Les tâches de lautomaticien sont : –de comprendre ; –de concevoir. Ses outils sont : –Le GRAFCET ; –Le GEMMA ; –Des guides de choix technologiques.

36 36 Structure dun automatisme (suite) Le cahier des charges Le cahier des charges –Cest un contrat entre le client et le fournisseur. –Il définit les clauses : Juridiques (responsabilités, accidents,...) Commerciales (prix, garanties, …) Financières Techniques

37 37 Structure dun automatisme (suite) Les spécifications techniques Les spécifications techniques –Fonctionnelles : Description du comportement de la partie commande vis-à-vis la partie opérative et du monde extérieur ; On ne préjuge en aucune façon des technologies qui seront mises en œuvre. Le GRAFCET –Outil correspondant : Le GRAFCET

38 38 Structure dun automatisme (suite) Le GRAFCET Le GRAFCET –Acronyme de GRAphe Fonctionnel de Commande dÉtape-Transition –Représentation graphique des divers états de fonctionnement –Considère le cas idéal : pas de problèmes, pas de défaillances…

39 39 Structure dun automatisme (suite) Les spécifications techniques Les spécifications techniques –Opérationnelles : Se rapportent au fonctionnement de lautomatisme au cours de lexploitation. Le GEMMA –Outil correspondant : Le GEMMA

40 40 Structure dun automatisme (suite) Le GEMMA Le GEMMA –Acronyme de Guide dÉtude des Modes de Marches et dArrêts –Représentation graphique des divers états de fonctionnement, d'arrêt et de défaillance d'un automatisme. –Spécifications opérationnelles : Fiabilité, disponibilité, maintenance ; Dialogue homme-machine.

41 41 Cours 1 : Automates programmables

42 42 Origines Aux États-Unis, vers 1969, lindustrie automobile demande un contrôleur reprogrammable

43 43 Cahier des charges Contexte (Dans les années 60) : Condition dutilisation en milieu industriel : Condition dutilisation en milieu industriel : bruit électrique, poussière, température, humidité, … Simplicité de mise en œuvre : Simplicité de mise en œuvre : doit être utilisable par le personnel en place, programmation facile Coûts acceptables Coûts acceptables les ordinateurs exigent un environnement particulier les ordinateurs sont dun coût astronomique les ordinateurs sont dune utilisation complexe

44 44 Cahier des charges (suite) Variété et nombre des entrées/sorties Variété et nombre des entrées/sorties Grandeur physique –tension, courant, etc. –pression, débit, etc. Nature –analogique –numérique (« digital ») –logique (tout ou rien, « discrete »)

45 45 Spécifications actuelles E/S standards (logiques) E/S standards (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) E/S standards (analogiques) E/S standards (analogiques) 0 à 5 V 0 à 10 V 5 à +5 V 10 à +10 V 0 à 20 mA 4 à 20 mA Langage de programmation très simple (diagramme échelle, « ladder ») Langage de programmation très simple (diagramme échelle, « ladder ») Prix accessible (100$–1000$) Prix accessible (100$–1000$)

46 46 Les précurseurs Allen Bradley (60% du marché Nord-Américain) Siemens ALSPA ( France) Modicon Télémécanique ( France)

47 47 Organisation fonctionnelle Schéma de lautomate

48 48 Organisation fonctionnelle (suite) Entrées DC Sortie DC Entrées/Sorties Digitales Mémoire Automate non-modulaire

49 49 Organisation fonctionnelle (suite) Automates modulaires

50 50 Module dalimentation Ce module génère lensemble des tensions nécessaires au bon fonctionnement de lautomatisme

51 51 Lunité centrale : processeur Fonctions Fonctions : Lecture sync. des informations dentrée Exécution de la totalité des instructions du programme en mémoire Écriture sync. des actions en sortie Types dinstructions disponibles Types dinstructions disponibles : logique, arithmétique, transfert de mémoire, comptage, temporisation, scrutation pas à pas lecture immédiate des entrées/sorties, branchements, sauts, test de bit ou de mot, interruption, contrôle PID

52 52 Lunité centrale : mémoire Répartition des zones mémoires Répartition des zones mémoires : table image des entrées table image des sorties mémoire des bits internes mémoire programme dapplication Exprimé en Ko ou Mo (gros automates : quelques Mo)

53 53 Lunité centrale : mémoire (suite) Table image des entrées : (Copie des entrées reçues) 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

54 54 Lunité centrale : mémoire (suite) Table image des sorties : (Résultats à envoyer aux sorties) Table image des sorties : (Résultats à envoyer aux sorties) CPU Q 124.X Q 125.X Q 126.X 7 0 Cartes Sorties Q 124 Actionneur Table image Octets Bits

55 55 Cartes Entrées I 124 Lunité centrale : mémoire (suite) Connexion E/S entre lAPI et l'automatisme piloté Connexion E/S entre lAPI et l'automatisme piloté I 124.5Q124.1 CPU Capteur I 124.X 7 0 Actionneur 7 0 Q 124.X Cartes Sorties Q 124

56 56 Lunité centrale : chien de garde Chien de garde (« watchdog ») Chien de garde (« watchdog ») : Surveille le CPU de façon à éviter les graves conséquences d'un dérèglement de celui-ci Nécessaire puisque le CPU intervient dans 0.5 % des pannes 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. À chaque cycle, le CPU doit réarmer le chien de garde, sinon… : –Mise à zéro de toutes les sorties –Arrêt de l'exécution du programme –Signalisation de la défaillance

57 57 Lunité centrale : trait. séquentiel Remise à 0 du chien de garde Écriture aux sorties Lecture des entrées Exécution du programme temps Opérateur appui sur bouton Prise en compteEffet en sortie Temps de scrutation Temps de réponse

58 58 Les cartes dentrées logiques

59 59 Les cartes dentrées analogiques Conversion analogique – numérique Conversion analogique – numérique

60 60 Les cartes dentrées an. – résolution Nombre de bits pour représenter le signal analogue Nombre de bits pour représenter le signal analogue Système binaire (« bit », « binary digit ») Système binaire (« bit », « binary digit ») 1 bit = 2 1 = 2 états 2 bit = 2 2 = 4 états 3 bit = 2 3 = 8 états 8 bit = 2 8 = 256 états 12 bit = 2 12 = états 16 bit = 2 16 = états

61 61 Les cartes dentrées an. – résolution (…) Résolution = Résolution = plus petit changement de signal détectable Résolution Résolution plue petit signal Résolution= Résolution = (plus petit incrément)/(nombre dincréments) (ex. pour 8 bit, résolution = 1/256 = 0.39 %) Exemples Exemples : Pour une entrée 0–100 mV à 8 bit Plus petit changement = 0.39 mV Pour une entrée 0–100 mV à 12 bit Plus petit changement = mV Pour une entrée 0–100 mV à 16 bit Plus petit changement = mV

62 62 Les cartes…– fréquence dacquisition Fréquence d'acquisition supérieure au signal d'entrée Fréquence d'acquisition supérieure au signal d'entrée

63 63 Les cartes… – fréquence dacquisition (…) Fréquence d'acquisition trop lente signal faux (« aliasing ») Fréquence d'acquisition trop lente signal faux (« aliasing »)

64 64 Les cartes… – fréquence dacquisition (…) Fréquence d'acquisition 2 fois la fréquence d'entrée (Nyquist) Fréquence d'acquisition 2 fois la fréquence d'entrée (Nyquist)

65 65 Les modules PID Permet de réaliser des fonctions de régulation sans avoir recours au CPU Certains automates ont un PID intégré dans le CPU (Cest le CPU qui se tape le calcul !) Limitation importante au niveau de la période d échantillonnage des signaux analogiques: –Généralement : >100 ms –Certain modèles ($$$) : >10 ms

66 66 Les cartes de comptage rapide Sadaptent à divers modèles de codeurs incrémentaux Sadaptent à divers modèles de codeurs incrémentaux Sadaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions Sadaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions

67 67 Les cartes daxes Pour le contrôle dun ou de plusieurs moteurs –CA / CC / Pas-à-pas –Commande numérique intégrée (Interpolation linéaire, circulaire) Les moteurs ne peuvent pas être asservis avec les modules PID (Périodes déchantillonnage plus courtes sont requises)

68 68 Les cartes dinterruption Une interruption est une section de programme qui est exécutée immédiatement lors dun événement déclencheur Les entrées du module servent de déclencheur à ces interruptions


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