Automatisme. 1. Les systèmes automatisés de production

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1 Automatisme. 1. Les systèmes automatisés de production
Analyse structurelle d’une installation automatisée. Analyse fonctionnelle: 4 familles de constituants d’automatismes 2. Composants d’automatisation associés aux fonctions Les capteurs Introduction aux API. Distribution de l’énergie en technologies pneumatiques et électriques. Les constituants d’un départ moteur. 3. Les modes de marche et d’arrêt d’un automatisme Le GEMMA. Hiérarchisation des grafcets. Sûreté de fonctionnement. 4. Illustration: Mise en œuvre d’un automate TSX 3722 Schneider Introduction du logiciel PL7 PRO. Création d’une application simple.

2 I°] Automatisation et automatismes
Matière d’œuvre + Valeur ajoutée Système automatisé de production Système Automatisé de Production (SAP): Système autonome de création de valeur ajoutée. Sous des impératifs de sécurité, productivité, Adaptabilité… Bouteille + bouchon. Pièce non percée Matière brute Pièce au point A Bouteille bouchée Pièce percée Pièce finie Pièce au point B SAP

3 Les niveaux d’automatisation.
Gestion de production, ordonnancement. Planification de séries. Niveau 2 Niveau de la ligne de production. Supervision d’ensemble de postes de travail. Niveau 1 Niveau des postes de travail ou machines automatisées. Logique câblée ou automates Niveau 0 Niveau des capteurs et actionneurs. Automatisme « réflexe » de sécurité. Logique câblée Architecture CIM: Computer Integrated Manufacturing Dans ce cours: niveau 0 et niveau 1 uniquement.

4 Analyse structurelle d’un SAP (Niveau 1)

5 Analyse fonctionnelle d’un SAP

6 II°] 4 familles de constituants d’automatismes
Les 4 fonctions des automatismes 4 familles de constituants d’automatisme Acquisition de données Capteurs TOR, Analogique, numérique Traitement des données API et/ou logique cablée Commande de puissance Préactionneurs, actionneurs et effecteurs Dialogue / Communication Cartes réseaux, protocole de communication

7 Les capteurs (1) Le capteur fournit à la PC, des comptes rendus sur l’état du système. Il convertit les informations physiques de la PO en grandeurs électriques exploitables par la PC. 3 types de capteurs: TOR : Ce sont les capteurs les plus répandus en automatisation courante : Capteur à contacts mécaniques, détecteurs de proximité, détecteur à distance ..., Ils délivrent un signal 0 ou 1 dit tout ou rien. On parle de détecteurs Analogique :Les capteurs analogiques traduisent des valeurs de positions , de pressions, de températures ... sous forme d'un signal (tension ou courant) évoluant continûment entre deux valeurs limites . Numérique :transmettent des valeurs numériques précisant des positions, des pressions,..., pouvant être lus : soit en parallèle sur plusieurs conducteurs soit en série sur un seul conducteur . On parle de codeurs

8 Détecteur de position mécanique (TOR)
Symbole principe Utilisation: Détecteur de position, fin de course, Détection de présence d’objets solides Avantage sécurité de fonctionnement élevée : fiabilité des contacts et manoeuvre positive d'ouverture bonne fidélité sur les points d'enclenchement (jusqu'à 0,01 mm) bonne aptitude à commuter les courants faibles combinée à une grande endurance électrique tension d'emploi élevée mise en oeuvre simple, fonctionnement visualisé grande résistance aux ambiances industrielles

9 Détecteur de proximité inductif (TOR)
Détecteur de inductif Symbole principe basée sur la variation d’un champ magnétique à l’approche d’un objet conducteur du courant électrique Utilisation: Ce type de capteur est réservée à la détection sans contact d'objets métalliques L'objet est donc à proximité du capteur mais pas en contact contrairement à un détecteur de position. Avantage Pas de contact physique avec l’objet détecté. Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints… Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres. Produit entièrement encapsulé dans la résine donc étanche. Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante

10 Détecteur de proximité capacitif (TOR)
Détecteur de inductif Symbole principe basé sur la variation d’un champ électrique à l’approche d’un objet quelconque. Utilisation: Détection à courte distance d’objets métalliques ou non. Contrôle de niveau de liquide et de poudre dans trémies Avantage Idem détecteur inductif mais plus cher et pas de pièces en mouvement Pas de contact physique avec l’objet détecté. Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints… Détecteur statique, pas de pièces en mouvement. Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres. Produit entièrement encapsulé dans la résine donc étanche. Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante

11 Détecteur de proximité photoélectrique (TOR)
Détecteur de inductif Symbole principe Les détecteurs photoélectriques se composent essentiellement d'un émetteur de lumière associé à un récepteur photosensible. Utilisation: Détection de tout objet opaque. Avantage Pas de contact physique avec l’objet détecté. Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints… Détection sur de grande distance. généralement en lumière infrarouge invisible, indépendante des conditions d'environnement Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante

12 3 détections photoélectriques (2)
barrage 2 boitiers portée : 30m pas les objets transparents Symbole                                                                        Système réflex 1 boitier portée : 15m pas les objets transparents et réfléchissants             Système proximité portée : dépend de la couleur de l'objet

13 Critère de choix d’un capteur (1)
Critères de choix Ambiance industrielle. Poussiéreuse, humide, explosive… Nature de la détection Nombre de cycle de manœuvre. Nombre et nature des contacts requis Place disponible…. Choix n°1: Famille technologique. Choix n°2: Référence et caractéristiques spécifiques

14 Critère de choix d’un capteur (2)

15 Câblages des capteurs

16 Fonction traitement des données.
Solution logique câblée. Automatisme simple. Solution rigide et rapidement volumineuse. Obligatoire pour le traitement de l’arrêt d’urgence. Solution programmée : API (Automate Programmable Industriel). Remplacement des fonctions combinatoires et séquentielles par un programme. Lecture cyclique des instructions de ce programme. Inconvénients API/Logique câblées. temps de réponse plus long (tps de scrutation = tps de cycle<< tps de réaction des capteurs Et actionneurs). Avantages API/Logique câblées. Souplesse d’utilisation, ADAPTABILITE.

17 Exemple d’un automatisme câblé
Marche/Arrêt d’un moteur asynchrone.

18 API et cycle automate Tout API possède:
des entrées, des sorties, des mémoires internes : toutes sont binaires (0 ou 1), on peut les lire (même les sorties), mais on ne peut écrire (modifier l'état) que sur les sorties et les mémoires internes. Les mémoires internes servent pour stocker des résultats temporaires, et s'en resservir plus tard. des fonctions combinatoires : ET, OU, NON (mais aussi quelquefois XOR, NAND,...) des fonctions séquentielles : bascules RS (ou du moins Set et Reset des bascules), temporisations, compteurs/décompteurs , mais aussi quelquefois registres à décalage, etc... des fonctions algorithmiques : sauts (vers l'avant mais aussi quelquefois saut généralisés), boucles, instructions conditionnelles... de plus il permet de créer, essayer, modifier, sauver un programme, quelquefois par l'intermédiaire d'une console séparable et utilisable pour plusieurs automates

19 API: Automate programmable industriel
Langage de conception de programme d’API: Grafcet, langage à contacts, langage structuré selon fabricants

20 Exemple de câblage API TSX

21 Commande et distribution d’énergie dans un SAP
3 technologies différentes pneumatique électrique Hydraulique Source d’énergie Air comprimé (6-8 bars) par compresseur Réseau EDF,secouru.. Huile sous pression par pompe (jusqu’à plusieurs centaines de bars) Action possible Translation (Vérin) Rotation (MAS) Translation possible Translation de faible amplitude, Création de force importante Influence environnement Bruyant Utilisable dans tout les milieux industriels Ne peut être utilisé en atmosphère explosive. Précaution à prendre en milieu humide (IP)

22 Chaîne de distribution de l’énergie dans les SAP
Technologie pneumatique Avantages: Puissance développée élevée. Énergie propre de mise en œuvre aisée Sécurité de fonctionnement Grande vitesse de déplacement des vérins Utilisation conjointe d’outillage pneumatique Technologie électrique Mise à disposition généralisée. Source autonome et secourue. SAP « tout électrique » Silencieux

23 Distribution de l’énergie en technologie pneumatique (1)
Mise à disposition et adaptation Compresseur (6-8 bars) (Electro-)Vanne D’alimentation générale Système FRL

24 Distribution de l’énergie en technologie pneumatique (2)
Pré-actionneur pneumatique:les distributeurs Symboles et conventions : ordres de la P.C. énergie de commande :24V Contacteur électromagnétique énergie pneumatique de puissance disponible énergie pneumatique de puissance distribuée à l’actionneur distribuer l’énergie pneumatique à l’actionneur (vérin principalement) Une position pour chaque case Orifice présent sur chaque case Flèche indiquant le passage de l’air comprimé Une voie Source pression Échappement Orifice fermé Commentaires : On désigne un distributeur avec 2 chiffres : - 1er chiffre : nombre d’orifices - 2èmechiffre : nombre de position du tiroir Ex : distributeur 3/2 : 3 orifices 2 positions

25 Distributeurs pneumatiques
Commande : Il existe 2 types de distributeurs : Distributeur monostable :le tiroir est rappelé à sa position initiale dès la disparition du signal de pilotage par un ressort . Distributeur bistable :le tiroir garde sa position en l’absence de signal de pilotage

26 Exemples d’actionneurs pneumatiques

27 Exemple de schéma de distribution d’énergie pneumatique

28 Technologie hydraulique (pour mémoire)
Principe semblable à la technologie pneumatique. Grandeur physique: Pression d’huile Comparaison pneumatique/hydraulique Pneumatique Hydraulique Efforts Limité à P=7 à 8bars Importants P=10 à 1000 bars Régulation des mouvements Pas facile Très bonne régulation possible Arrêt en position Pas facile, non précis Peut-être très précis Prix Économique Élevé

29 Distribution de l’énergie en technologie électrique (1)
Mise à disposition et adaptation En amont de toute commande de distribution d’énergie électrique Raccordement au réseau depuis une armoire BT. Dispositif d’isolement/ au réseau (sectionneur). Dispositif de protection surcharge et court-circuit (fusible/disjoncteur).

30 Pré-actionneurs électriques: les contacteurs
aspect fonctionnel ordres de la P.C. énergie de commande :24V Contacteur électromagnétique énergie électrique de puissance disponible énergie électrique de puissance distribuée à l’actionneur distribuer l’énergie électrique à l’actionneur (MAS principalement) Principe: électromagnétique Symbole:

31 Exemple de circuit de puissance d’un actionneur électrique

32 Réalisation d’un système automatisé
La description d’un automatisme correspond à la donnée de 2 schémas de câblages: Le schéma de puissance:qui transcrit le raccordement des pré-actionneurs et actionneurs au réseau d’énergie. Le schéma de commande: qui retranscrit la logique d’alimentation des bobines des pré-actionneurs à partir des sorties automates,des organes de sécurité, du mode de marche sélectionné

33 Exemple de circuit de commande

34 III°] Les Modes de Marches et d’Arrêts
Le fonctionnement normal d’un SAP est celui pour lequel il a été conçu. Il est nécessaire d’étudier les procédures de : Mise en route Mise au point Défaillances Ces procédures sont définies par les Modes de Marches et d’Arrêts (MMA)

35 Définir les MMA d’un SAP, c’est définir :
1°) Les modes de production d’un système. Fonctionnement automatique continu Cycle à cycle Les marches préparatoires et de clôtures Fonctionnement semi-auto…. 2°) L’exploitation du système par un opérateur (Fct dialogue) Conception du pupitre de commande de l’opérateur. Informations relatives à la PO à signaler…. 3°) Les procédures d’arrêts et de mise en sécurité Arrêt normal. Arrêt dans un état déterminé Traitement de l’arrêt d’urgence….

36 SAP opérationnel? Comment peut-on mettre en Marche et arrêter le fonctionnement ? Lorsque l’opérateur pilote le système, comment suivre son évolution en temps réel ? Quelles sont les modes de fonctionnement disponibles sur le système ? Peut-on prévoir des modes de marches spécifiques pour procéder à des réglages ou la maintenance ? Quelles seront les conséquences de la mise « EN / HORS ÉNERGIE » sur le système ? Peut-on prévoir un mode de marche permettant de mettre le système en situation de repli en fin de journée pour assurer la sécurité ? Quels critères doit-on prendre en compte pour assurer la sécurité des personnes et des biens ? Après un Arrêt d’Urgence dans quelles conditions peut-on remettre le système en production normale ? Quelles seront les conséquences d’un Arrêt d’Urgence pour les personnes et le système ?

37 Le GEMMA Acronyme de : Guide d’Étude des Modes de Marche-Arrêt.
PZ A6 <Mise PO dans état initial> A7 <Mise PO dans état déterminé> A5 <Préparation pour remise en route après défaillance> D2 < Diagnostique et/ou traitement de la défaillance> D1 <Marche ou arrêt en vue d'assurer la sécurité> A2 <Arret demandé en fin de cycle> A3 demandé dans état A4 <Arrêt obtenu> Pendant tout état GEMMA F1 <Production normale> de F4 <Marches de vérification dans le désordre> F5 dans l'ordre> GEMMA Guide d'étude des Modes de Marches et d'Arret PC HORS ENERGIE PROCEDURES EN DEFAILLANCE DE LA PO PROCEDURES DE FONCTIONNEMENT D F PROCEDURES D'ARRET ET DE MISE EN ROUTE A A1 <Arret dans état initial> Production D3 <Production tout de même> F2 préparation> F6 de test> F3 de cloture> Outil graphique de choix de MMA et de description du fonctionnement opérationnel des systèmes automatisés.

38 Description du guide GEMMA
Hors production Préchauffage du four F2 <Marches de préparations> T=170°C

39 La famille F: Procédures de fonctionnement
F2 <Marche de préparation> Cette état est utilisé pour des SAP nécessitant une préparation préalable à la production normale. F3 <Marche de clôture> Certains SAP nécessite une vidange ou un nettoyage en fin de série. F1 <Production normale> de F4 <Marches de vérification dans le désordre> F5 dans l'ordre> PROCEDURES DE FONCTIONNEMENT F F2 préparation> F6 de test> F3 de cloture> F4 <Marche de vérification dans le désordre> Cette état correspond au fonctionnement manuel du SAP sans respecter l’ordre du cycle. F1 <Production normale> C’est l’état pour lequel le SAP a été conçu. Cet état correspond à un Grafcet de production normale (GPN). F5 <Marche de vérification dans l’ordre> C’est le mode manuel su SAP. le cycle de production de VA peut être explorée manuellement au rythme voulue par l’opérateur. F6 <Marche de test> Lorsque des machines,des capteurs doivent être réglés périodiquement sans arrêter la chaîne

40 La famille D: Procédures de défaillance.
D2 <Diagnostique et/ou traitement de défaillance> Le système peut-être examiné après défaillance (qui a été sécurisé en D1). Dans cet état de la PO, ce sont les opérateurs de maintenance qui opèrent D2 < Diagnostique et/ou traitement de la défaillance> D1 <Marche ou arrêt en vue d'assurer la sécurité> PROCEDURES EN DEFAILLANCE DE LA PO D D3 <Production tout de même> D3 <Production tout de même> Parfois utile de continuer la production après défaillance d’une machine: C’est une mode de production dégradé, aidée par des opérateurs en ligne… D1 <Arrêt d’urgence> C’est l’état pris l’ors d’un arrêt d’urgence. Il faut prévoir les arrêts, les procédures de dégagement, de sécurisation des biens et des personnes

41 La famille A: Procédures d’arrêt.
A1 <Arrêt dans l’état initial> État de repos. Il correspond à l’état initiale du GPN A4 <Arrêt obtenu> Ligne automatisée à l’arrêt en une position autre que la fin de cycle. A6 <Mise PO dans état initial>. Remise de la PO en position (manuellement ou automatiquement) pour redémarrage dans un état initial A2 <Arrêt demandé en fin de cycle> La PO continue de produire jusqu’à la fin de cycle. (A2 est transitoire vers A1) PROCEDURES D'ARRET ET DE MISE EN ROUTE A6 <Mise PO dans état initial> A7 <Mise PO dans état déterminé> A5 <Préparation pour remise en route après défaillance> A2 <Arret demandé en fin de cycle> A3 demandé dans état A4 <Arrêt obtenu> A A1 <Arret dans état initial> A7 <Mise PO dans état déterminé> Remise de la PO en position pour redémarrage dans un état déterminé. A3 <Arrêt demandé dans un état déterminé> Arrêt en position quelconque souhaité. (A3 est transitoire vers A4) A5 <Préparation pour mise en route après défaillance> Dans cet état, on procède à toutes les opérations nécessaires à la remise en route après défaillance.Ex: Dégagement, désengagement, nettoyages…

42 Utilisation du GEMMA: Principe.
Auto et Init Production Conditions Initiales (CI) Manu Auto et Dcy Rectangle état « F1 » Rectangle état « A2 » Fin de cycle Init Début /Auto On ne retient que les RECTANGLES d’ETATS modélisant des modes de Marches ou d’Arrêts souhaités. 1 Pour définir les modes de fonctionnements, (conformément au cahier des charges) il s’agira d’élaborer un «PARCOURS GEMMA » ou « BOUCLE » en choisissant ou non de transiter par les rectangles états de son choix. 2 Les évolutions entre chaque rectangle état seront réalisées en installant les CONDITIONS LOGIQUES nécessaires aux évolutions d’un état à l’autre. 3

43 Traduction des MMA en grafcet
Le GEMMA conduit à l’élaboration d’une STRUCTURE MULTI-GRAFCETS HIERARCHISES. Autorise GRAFCET DE CONDUITE (GC) ou GRAFCET DES MODES DE MARCHES (GMM) Autorise Rend compte Autorise Rend compte GRAFCETS DE TACHES SPECIFIQUES

44 Grafcets hiérarchisés
Le GRAFCET DE SURETE est hiérarchiquement supérieur Grafcet de Sûreté F/GC F/GPN Grafcet de Conduite F/GPN Grafcet de Production Normale F/GPN: se lit « Forçage sur GPN »

45 Élaboration du Grafcet de Conduite
GEMMA GRAFCET DE CONDUITE A1 Allumer voyant V REF Mode Auto et Dcy C.I. c- c+ p-Ah Cs t- bs br r- 1 Initialisation Fin de cycle Init Mise tension sous A2 cycle en cours Finir le Conditions Initiales Arrêt X30 V Ref 2 En suivant l’évolution dans le GEMMA : Rectangle état = Étape + action Condition logique = transition+réceptivité Auto et Départ cycle 3 Lance le GPN Arrêt A2 4 L’étape 3 lance l’exécution du Grafcet de Production Normale (GPN) X30 correspond à la dernière étape du GPN Indique la "Fin de cycle du GPN"

46 Graphe des Modes de Marches et d’Arrêts
Le GMMA Graphe des Modes de Marches et d’Arrêts Établi après validation GEMMA Comporte uniquement les cheminements utilisés. Conduite du système par les intervenants Régleur, Opérateur, Maintenance

47 Sûreté de fonctionnement.
Régit par des normes et réglementations (NFC..) Principe: Prise en compte de la sécurité des personnes et des biens sur défaillances des systèmes. 2 idées de bases: Sur défaillance, la distribution d’énergie à la PO doit être coupée et les automatismes de sécurité doivent être des automatismes cablés. Sur retour de défaillance, la mise en énergie de la PO doit s’effectuer sur acquittement manuel d’un opérateur.

48 Structure du circuit de commande imposée par la sûreté de fonctionnement.

49 Exercice d’application GEMMA (1)
Un cycle de fonctionnement correspond à: Un aller de A en B. Une temporisation de 1mn de chargement Un retour de B vers A. Une temporisation de 1mn de déchargement. Modes de fonctionnements envisagés: Automatique en cycle à cycle enclenché par le bouton poussoir DCY Automatique continu enclenché par le BP DCY Manuel dans le désordre avec BP de commande G et D Traitement de l’arrêt d’urgence: Déverrouillage de l’ARU puis acquittement de l’opérateur. Déterminer le GMMA correspondant au fonctionnement souhaité. Déterminer un grafcet de conduite correspondant.

50 Exercice d’application GEMMA (2)
Déterminer le GMMA correspondant au fonctionnement souhaité. Déterminer un grafcet de conduite correspondant. Manu O Cont C/C Auto Dcy G D Init Acq ARU Pupitre de commande envisagé.