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

Plan de cours

Encadrement Mon expertise : robots parallèles Mes coordonnées Courriel : ilian.bonev@etsmtl.ca Tél. : poste 8403 Local : 3736

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

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

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

Documentation Notes de cours disponibles sur le site Web : www.gpa.etsmtl.ca/cours/gpa140

Cours 1 : Introduction

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

Historique – Les précurseurs Blaise Pascal (1623—1662) : Automatisation du calcul (La pascaline)

Historique – Les précurseurs (suite) Afin d’aider son père dans son travail d’administration fiscal Blaise Pascal invente une machine à additionner et soustraire. Pour y arriver il a dû utiliser le principe de représentation des nombres en binaire! C’est la première fois que l’on applique ce genre de représentation.

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

Historique – Les précurseurs (suite) Charles Babbage (1792—1871) Programmation des métiers à tisser Jacquard par carte perforée.

Historique – Les précurseurs (suite) Les travaux de Babbage sont à l’origines de l’invention de l'ordinateur. Il inventa le principe de la carte perforée qui sera utilisé au moins jusqu’à la fin des années 1970. 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 n’a jamais été implantée à cause de la technologie rudimentaire de l’époque.

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

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

Historique – Les industries (suite) Henry Ford (1863—1947) : Début d’une nouvelle forme d’usine (1908—1914) ; Avec Ford, les États-Unis prennent une longueur d’avance sur les autres pays en ce qui concerne la production en série. Ford Quadricycle 1896 Ford Model T 1908

Historique – Les industries (suite)

Historique – Les industries (suite) Les trois grandes contributions d’Henry Ford : 1) Les cellules de travail : Ce n’est 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 !) 2) Application du principe de Taylor : Les ouvriers doivent être bien payés car ce sont eux qui seront les plus susceptibles d’acheter les voitures produites 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.

Historique – Les industries (suite) L’industrie automobile contribue grandement à l’essor de l’automatisation. Vers 1960 l’industrie automobile a besoin d’un contrôleur reprogrammable pour permettre une plus grande flexibilité des chaînes de production. C’est la naissance des automates programmables!

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

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

Buts de l’automatisation (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

Conséquences de l’automatisation Augmentation du taux de production Diminution du coût d’achat des produits Uniformité dans les produits manufacturés Réduction des accidents de travail Opérations hasardeuses possibles !

Conséquences de l’automatisation (…) Diminution des emplois… On remarque une diminution de la main d’œuvre par unité produite. Diminution des emplois pour travailleurs non qualifiés et augmentation des emplois pour les travailleurs qualifiés Certains types d’emplois deviennent très monotones et répétitifs (ex: inspection et surveillance des machines) !

Structure d’un automatisme

Structure d’un automatisme (suite) La partie commande Automates programmables Séquenceurs (électromécaniques ou pneumatiques) Microcontrôleurs Cartes dédiées Etc.

Structure d’un automatisme (suite) La partie opérative Moteurs électriques (CA ou CC) Vérins (pneumatiques ou hydrauliques) Vannes (électriques ou pneumatiques) Éléments chauffants Etc.

Structure d’un automatisme (suite) La partie relation Panneaux de commande Voyants, indicateurs Poussoirs, sélecteurs Interfaces Homme-Machine Alarmes Etc.

Structure d’un automatisme (suite) Ces trois parties comprennent : Des fonctions ou organes binaires ; Des fonctions de logique combinatoire ; Des fonctions de logique séquentielle.

Structure d’un automatisme (suite) La logique combinatoire Définition : L’état 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

Structure d’un automatisme (suite) La logique séquentielle Définition : L’état 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

Structure d’un automatisme (suite) Les tâches de l’automaticien sont : de comprendre ; de concevoir. Ses outils sont : Le GRAFCET ; Le GEMMA ; Des guides de choix technologiques.

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

Structure d’un automatisme (suite) 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. Outil correspondant : Le GRAFCET

Structure d’un automatisme (suite) Le GRAFCET Acronyme de GRAphe Fonctionnel de Commande d’Étape-Transition Représentation graphique des divers états de fonctionnement Considère le cas idéal : pas de problèmes, pas de défaillances…

Structure d’un automatisme (suite) Les spécifications techniques Opérationnelles : Se rapportent au fonctionnement de l’automatisme au cours de l’exploitation. Outil correspondant : Le GEMMA

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

Cours 1 : Automates programmables

Origines Aux États-Unis, vers 1969, l’industrie automobile demande un contrôleur reprogrammable

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

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

Spécifications actuelles 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) 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 ») Prix accessible (100$–1000$)

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

Organisation fonctionnelle Schéma de l’automate

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

Organisation fonctionnelle (suite) Automates modulaires

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

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

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

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

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

L’unité centrale : chien de garde 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 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. 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

L’unité centrale : trait. séquentiel Remise à 0 du chien de garde Écriture aux sorties Lecture des entrées Exécution du programme Temps de scrutation temps Opérateur appui sur bouton Prise en compte Effet en sortie Temps de réponse

Les cartes d’entrées logiques

Les cartes d’entrées analogiques Conversion analogique – numérique

Les cartes d’entrées an. – résolution Nombre de bits pour représenter le signal analogue Système binaire (« bit », « binary digit ») 1 bit = 21 = 2 états 2 bit = 22 = 4 états 3 bit = 23 = 8 états 8 bit = 28 = 256 états 12 bit = 212 = 4 096 états 16 bit = 216 = 56 536 états

Les cartes d’entrées an. – résolution (…) Résolution = plus petit changement de signal détectable Résolution  plue petit signal Résolution = (plus petit incrément)/(nombre d’incréments) (ex. pour 8 bit, résolution = 1/256 = 0.39 %) 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 = 0.0244 mV Pour une entrée 0–100 mV à 16 bit Plus petit changement = 0.0015 mV

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

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

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

Les modules PID Permet de réaliser des fonctions de régulation sans avoir recours au CPU Certains automates ont un PID intégré dans le CPU (C’est 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

Les cartes de comptage rapide S’adaptent à divers modèles de codeurs incrémentaux S’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions

Les cartes d’axes Pour le contrôle d’un 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 d’échantillonnage plus courtes sont requises)

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