Automate Programmable

Présentation au sujet: "Automate Programmable"— Transcription de la présentation:

1 Automate Programmable
                                           

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

3 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.

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

5 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)

6 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

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 d’une utilisation complexe.

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

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

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

11 Organisation fonctionnelle
Schéma de l’automate

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

13 Organisation fonctionnelle
Automate non-modulaire

14 Organisation fonctionnelle
Automate modulaire

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

16 Module d’alimentation

17 Module d’alimentation

18 Module d’alimentation

19 Module d’alimentation

20 Module d’alimentation
Il faut gérer correctement cette ressource

21 Module d’alimentation
Calcul du bilan de puissance:

22 Module d’alimentation
Calcul du bilan de puissance:

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

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

25 L’unité centrale : Processeur

26 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

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

28 L’unité centrale : Processeur
Technologie microcontrôlée:

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

30 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.

31 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

32 L’unité centrale : Mémoire

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

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

35 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.

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

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

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

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

40 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

41 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 ( ) + 25% = 3725 octets. Alors une mémoire minimale de 4 ko recommandée.

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

43 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

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

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

46 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.

47 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.

48 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

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 d’entrées logiques
Organisation (partie 1):

51 Rappel : 0.7V I = 0

52 Rappel :

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

54 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

55 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.

56 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

57 Spécifications Conversion analogue - numérique

58 Résolution

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 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

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

62 Résolution 0 mv -> 0 décimal, 100 mv -> 256
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 Résolution Pour une température 0-256 ºC 8 bit - > 1 ºC

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

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

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

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

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

69 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.

70 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.

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

72 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

73 Les cartes d’entrées logiques
Entrée CA typique:

74 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

75 Spécifications (exemple)

76 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.

77 Les cartes d’entrées 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 d’entrées 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 l’automate 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 l’inversion de tension et protection contre les surcharges

85 Les cartes de sorties logiques
Visualisation de l’état 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 d’utilisation 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 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: % = 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 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.

95 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, ...)

96 Cartes d’entrées analogiques
Schéma de principe d’une boucle analogique mA: Capteur API

97 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

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 d’entrée : 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 l’ampleur de l’action voulue Ex. 1: Ouverture d’une valve Ex. 2: Vitesse d’un moteur CC

100 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: 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 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

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 d’erreurs et correction : Echo check Vertical Redunduncy Check Longitudinal Redunduncy Check Cyclical Redunduncy Check

108 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.

109 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

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

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

112 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

113 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

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

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. 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)

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 l’API.

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 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

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
S’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions.

131 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

132 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.

133 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.

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

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

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 d’instructions) 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