GPA140 L’ingénieur en production automatisée

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1 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)

2 Plan de cours

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

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

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

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

8 Documentation Notes de cours disponibles sur le site Web :

9 Cours 1 : Introduction

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11 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

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

13 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.

14 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.

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

16 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.

17 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

18 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.

19 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

20 Historique – Les industries (suite)

21 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.

22 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!

23 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!

24 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)

25 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

26 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 !

27 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) !

28 Structure d’un automatisme

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

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

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

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

33 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

34 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

35 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.

36 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

37 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

38 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…

39 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

40 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.

41 Cours 1 : Automates programmables

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

43 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

44 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 »)

45 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$–1000$)

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

47 Organisation fonctionnelle
Schéma de l’automate

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

49 Organisation fonctionnelle (suite)
Automates modulaires

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

51 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

52 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

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

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

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

56 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

57 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

58 Les cartes d’entrées logiques

59 Les cartes d’entrées analogiques
Conversion analogique – numérique

60 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 = états 16 bit = 216 = états

61 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 = mV Pour une entrée 0–100 mV à 16 bit Plus petit changement = mV

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

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

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

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 (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

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

67 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)

68 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