Automate Programmable                                            

Automate Programmable Aux États-Unis, vers 1969, l’industrie automobile demande un contrôleur reprogrammable.

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

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 2N bits, “Digital”) tout ou rien (logique, “Discrete”)

Ce que les automates offrent aujourd’hui 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)

Ce que les automates offrent aujourd’hui 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

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 d’une utilisation complexe.

Ce que les automates offrent aujourd’hui Langage de programmation très simple: “LADDER” - Diagrammes échelle

Le cahier des charges Coûts acceptables Contexte: dans les années ‘60, les ordinateurs sont d’un coût plutôt astronomique.

Les précurseurs Allen Bradley 60% du marché Nord-Américain Modicon ALSPA (1971 - France) Télémécanique (1971 - France)

Organisation fonctionnelle Schéma de l’automate

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

Organisation fonctionnelle Automate non-modulaire

Organisation fonctionnelle Automate modulaire

Module d’alimentation Ce module génère l’ensemble des tensions nécessaires au bon fonctionnement de l’automatisme

Module d’alimentation

Module d’alimentation

Module d’alimentation

Module d’alimentation

Module d’alimentation Il faut gérer correctement cette ressource

Module d’alimentation Calcul du bilan de puissance:

Module d’alimentation Calcul du bilan de puissance:

Module d’alimentation Choix du bloc d’alimentation: On doit avoir au moins 1.008 A 1

L’unité centrale Module de l’automate constitué de : processeur: microprocesseur ou microcontrôleur mémoire: ROM, RAM, EPROM, E2PROM

L’unité centrale : Processeur

L’unité centrale : Processeur Fonctions: Lecture des informations d’entrée Exécution de la totalité des instructions du programme en mémoire Écriture des actions en sortie

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

L’unité centrale : Processeur Technologie microcontrôlée:

L’unité centrale : Processeur Types d’instructions disponibles : Logique Arithmétique Transfert de mémoire Comptage Temporisation Scrutation pas à pas

L’unité centrale : Processeur Types d’instructions disponibles : Lecture immédiate des entrées Écriture immédiate des sorties Branchements, sauts Test de bit ou de mot Décalage Conversion Interruption Contrôle P.I.D.

L’unité 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 d’application

L’unité centrale : Mémoire

L’unité centrale : Mémoire Type de mémoire: RAM: Random Access Memory Entrée des données (écriture) Sortie des données (lecture) RAM Adresse

L’unité centrale : Mémoire Type de mémoire: ROM: Read Only Memory Sortie des données (lecture) ROM Adresse

L’unité centrale : Mémoire Type de mémoire: PROM: Programmable Read Only Memory Mémoire qui ne peut être programmée qu’une 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.

L’unité centrale : Mémoire Type de mémoire: E2PROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Re-programmer plusieurs fois (entre 10000 et 100000 fois) Peut être effacée par signaux électriques Coûteuse

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

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

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

L’unité 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

L’unité centrale : Mémoire Exemple d’un 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 (173+125) + 25% = 3725 octets. Alors une mémoire minimale de 4 ko recommandée.

L’unité centrale Mode de fonctionnement synchrone : Lecture synchrone de toutes les entrées Écriture synchrone à toutes les sorties Fonctionne de façon cyclique

Remise à 0 du chien de garde Exécution du programme L’unité centrale Traitement séquentiel : Remise à 0 du chien de garde Lecture des entrées Exécution du programme Écriture aux sorties

L’unité centrale Temps de scrutation vs Temps de réponse : temps Opérateur appui sur bouton Prise en compte Effet en sortie

L’unité centrale Spécification de la vitesse de traitement : En millisecondes par kilomots d’instructions logiques Temps de traitement d’une opération

L’unité centrale Spécification de la vitesse de traitement : Si votre programme comporte beaucoup d’instructions mathématiques et/ou de communication, la spécification en millisecondes par kilomots d’instructions logiques ne tient plus.

L’unité 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 l’exécution 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 l’API. Dans le cas de débordement, l’application est déclarée en défaut, ce qui provoque l’arrêt immédiat de l’API.

L’unité 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

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.                                                                                 

Les cartes d’entrées logiques Organisation (partie 1):

Rappel : 0.7V I = 0

Rappel :

Les cartes d’entrées logiques Redresseur: Transforme la tension CA en tension CC.

Les cartes d’entrées logiques Protection contre l’inversion de tension: Évite de détruire la carte suite à une erreur de câblage. - + Diode passante + - Diode bloquée 0.7V

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

Les cartes d’entrées logiques Mise en forme du signal: Détecteur à seuil de tension. V V E E t t V V S S 1 1 t

Spécifications Conversion analogue - numérique

Résolution

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

Résolution Besoin de plus d'un bit pour représenter la réalité 1 bit = 21 = 2 états 2 bits = 22 = 4 états 3 bits = 23 = 8 états 8 bits = 28 = 256 états 12 bits = 212 = 4,096 états 16 bits = 216 = 65,536 états

Résolution = plus petit changement de signal détectable  le plus petit signal Résolution = Résolution (8 bits)= Plus petit incrément ------------------------ nombre total d'incréments 1 ------ 256 = 0.0039 = 0.39 %

Résolution 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 256 Pour une entrée 0-100 mv à 8 bit 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 256 Plus petit changement = 0.39 mv Pour une entrée 0-100 mv à 12 bit 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 4096 Plus petit changement = 0.0244 mv Pour une entrée 0-100 mv à 16 bit Plus petit changement = 0.0015 mv

Résolution Pour une température 0-256 ºC 8 bit - > 1 ºC

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

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

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

Les cartes d’entrées logiques Organisation (partie 2): Vers CPU

Les cartes d’entrées logiques Immunité aux parasites industriels et élimination des effets de rebondissement: Filtres retardateurs.

Les cartes d’entrées logiques Séparation galvanique: Protection de l’automate 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.

Les cartes d’entrées 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.

Les cartes d’entrées logiques Visualisation de l’état logique: Diode électroluminescente (Light-Emitting Diode - LED).

Les cartes d’entrées logiques Entrée CC typique: Entrées TTL (Transistor - Transistor Logic) avec une tension de 0 à 5v. Protection contre l’inversion Filtre Protection galvanique

Les cartes d’entrées logiques Entrée CA typique:

Spécifications (exemple) Nombre de points d’entrée Plage de tension d’entrée Tension maximale Plage de fréquence (CA) Courant tiré de l’entrée État logique OFF État logique ON Types d’entrée

Spécifications (exemple)

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

Les cartes d’entrées logiques Nombre de cartes de 16 points de 24 Vcc requises: 74 + 20% = 88,8 entrées 88,8/16 : 6 cartes (96 entrées) Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises: 59 + 20% = 70,8 entrées 70,8/8 : 9 cartes (72 entrées)

Les cartes d’entrées logiques Nombre de cartes de 16 points de 5 Vcc requises: 40 + 20% = 48 entrées 48/16  3 cartes (48 entrées)

Les cartes de sorties logiques Organisation (partie 1):

Les cartes de sorties logiques Mémorisation du résultat sur la carte

Les cartes de sorties logiques Séparation galvanique: Protection de l’automate contre des surtensions.

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

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

Les cartes de sorties logiques Protection contre l’inversion de tension et protection contre les surcharges

Les cartes de sorties logiques Visualisation de l’état logique: Diode électroluminescente.

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

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

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

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

Spécifications (exemple)

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

Les cartes de sorties logiques Exemple d’un 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: 88 + 20% = 105,6 sorties 105,6/16 : 7 cartes (112 sorties) Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises (triac): 37 + 20% = 44,4 sorties 44,4/8 : 6 cartes (48 sorties)

Les cartes de sorties logiques

Cartes I/O analogiques Conversion des valeurs analogiques La CPU ne traite que des valeurs analogiques binaires. Le module d’entrées 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.

Cartes d’entrées analogiques L’acquisition de signaux proportionnels à une grandeur physique donnée est obtenue par des cartes d’entrées analogiques (température, débit, position, ...)

Cartes d’entrées analogiques Schéma de principe d’une boucle analogique 4 - 20 mA: Capteur API

Cartes d’entrées analogiques Principe: Sonde de température Signal électrique Valeur numérique AMPLI PLC Plage: 0°C à 250°C Plage: 0 V à 5 V Plage: 0 à 255 Mesure: 68°C Mesure: 1.360 V Mémoire: 69

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 d’entrée : 1, 2, 4 ou 8 Plage de tension ou de courant

Cartes de sorties analogiques Sert à envoyer à un actionneur un signal proportionnel à l’ampleur de l’action voulue Ex. 1: Ouverture d’une valve Ex. 2: Vitesse d’un moteur CC

Cartes de sorties analogiques Principe: Moteur électrique Signal électrique Valeur numérique DRIVE PLC Plage: 0 RPM à 4500 RPM Plage: 4 mA à 20 mA Plage: 0 à 1023 Vitesse: 3902.3 RPM Génère: 17.875 mA Mémoire: 888

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

Cartes de sorties analogiques

Interfaces de communication But: permettre le dialogue avec d’autres automates, des imprimantes, des calculateurs, des consoles de visualisation, des consoles de programmation Moyen Canal 1 de transmission Canal 2 de transmission Canal n de transmission données données Génération Transfert Detection

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)

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

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.

Interfaces de communication Contrôle d’erreurs et correction : Echo check Vertical Redunduncy Check Longitudinal Redunduncy Check Cyclical Redunduncy Check

Interfaces de communication Contrôle d’erreurs et correction : Echo check Le récepteur re-transmet chaque caractère à l’émetteur pour vérification et retransmission si nécessaire (la retransmission est effectuée un nombre donné de fois.

Interfaces de communication Contrôle d’erreurs 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 1 1 1 1

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

Les interfaces de communication Bit de parité: En cas d’erreur, détection possible Ex: parité paire 1 1

Interfaces de communication Contrôle d’erreurs et correction : Vertical Redunduncy Check (VRC) Mise en place du bit de parité par l’émetteur. Vérification du nombre de 1 reçu par le récepteur. L’erreur est détectée si dans une transmission VRC à parité pair le nombre de 1 reçu est impair ! Donc demande de re-transmission. Parité impaire

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

Interfaces de communication Contrôle d’erreurs et correction : Longitudinal Redunduncy Check (LRC) Utilisé avec VRC.  ? Récepteur Emetteur  ?  1 

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 d’erreur. Bits d’arrêt (de niveau 1), utile lorsque les trames se suivent sans délais.

Interfaces de communication Vitesse de transmission: Nombre de bits par seconde BAUD. Télex: 300 Bauds Message de 1 ko : 33.3 secondes Fibre optique: 800 000 000 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.

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

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. C’est 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)

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

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 l’API.

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

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

Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Exemple :

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

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

Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu Code Gray recommandé: Impossible de s’assurer mécaniquement que plusieurs bits changent en même temps Avec le code Gray, un seul bit change à la fois Spécifications: Nombre de bits d’entrées Largeur du codage Vitesse d’évolution des signaux d’entrée

Le contrôle de déplacement rotatif : codeur incrémental Communication sérielle.

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. http://ak-industries.com/incremental.htm

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.

Les cartes de comptage rapide S’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions.

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

Les cartes d’axes Pour le contrôle d’un 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.

Les modules d’interruption Une interruption est une section de programme qui est exécutée immédiatement lors de l’occurrence d’un événement déclencheur. Les entrées du module servent de déclencheur à ces interruptions.

Les modules d’interruption Un automate peut réagir à diverses sources d’interruptions. Signaux d’entrées : Temps Heure et jour donné Périodique

Les interruptions Programme normal Interruption (OB13) Principe de l’interruption Programme normal Interruption (OB13)

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

Les terminaux industriels Permettent (sans interrompre l’exécution du programme en cours) : d’écrire et interpréter sous forme interactive, l ’ensemble des instructions du programme de mettre au point par simulation, ou par contrôle logiciel, l’éxécution du programme de sauvegarder le programme de suivre en temps réel l’évolution du cycle d’interroger et modifier : l’état d’un mot ou d’un bit mémoire, l’état d’un mot ou d’un bit d’E/S

Norme de cablâge autour des automates

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 d’instructions) ST : Structured Text (Texte structuré)

FBD Function Block Diagram Exemple

SFC Sequential Function Chart Exemple

IL Instruction List Exemple

ST Structured Text Exemple