Automate programmable industriel

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L’automate programmable au cœur du système automatisé

Un système automatisé comporte de nombreux constituants:

• actionneurs: moteurs, vérins...;

• pré-actionneurs: contacteurs, variateurs de vitesse, distributeurs...;

• capteurs de tous types: détecteurs, interrupteurs de position, capteurs numériques...;

• pupitre de commande;

• terminaux d’intervention..,

L’automate programmable est au cœur de ce système, en liaison avec ces nombreux constituants.

C’est un avantage important des automates programmables que de s’intégrer simplement au cœur du système industriel automatisé.

Fonctions du système automatisé en liaison avec l’automate programmable

L’illustration suivante classifie les fonctions autour de l’automate programmable et montre les deux moyens de communication utilisés :

• Les liaisons « fil à fil » par les modules d’entrées-sorties de l’automate programmable ;
• Les liaisons « série ou parallèles » par câble spécialisé se raccordant sur l’automate programmable ou l’un de ses modules spécialisés.

Les 5 fonctions principales autour de l’automate programmable sont:

1. La détection, depuis des capteurs de tous types répartis sur la machine;
2. La commande d’actions, vers les actionneurs et pré-actionneurs
3. Le dialogue d’exploitation;
4. Le dialogue de supervision de production;
5. Le dialogue de programmation pour la première mise en oeuvre.

Détection

Les capteurs « Tout Ou Rien » tels que détecteurs de proximité, interrupteurs de position, manostats,... sont raccordés à l’automate programmable par des liaisons fil à fil aboutissant aux modules d’entrées.

Les capteurs analogiques ou numériques tels que lecteurs de codes, capteurs de pesage, plots de lecture écriture.., sont raccordés à l’automate programmable par liaisons « série »

Action

A chaque actionneur sur la machine (moteur, vérin,...) est associé un pré-actionneur (contacteur, variateur de vitesse, distributeur

Les actionneurs « Tout Ou Rien » sont raccordés à l’automate programmable par des liaisons fil à fil depuis les modules de sorties.

Les pré-actionneurs continus tels que les variateurs de vitesse, positionneurs sont raccordés à l’automate programmable par des transmissions depuis les cartes de sorties analogiques.

Dialogue d’exploitation

En période d’exploitation, des dialogues hommes-machine sont nécessaires:

• Pour la conduite de la machine;
• pour ses réglages;
• pour ses dépannages.

les constituants prévus pour ces dialogues comportent:

• des constituants implantés tels que boutons, voyants, pupitres configurables...;
• des terminaux d’exploitation amovibles, pour réglages et dépannages.

Dialogue de supervision

Les systèmes automatisés s’intègrent dans une production souvent gérée et supervisée de manière centrale. L’automate programmable est donc prévu pour dialoguer en liaison “série” avec les périphériques centraux

Dialogue de programmation

La première mise en œuvre de la machine, ainsi que d’éventuelles évolutions, exigent ce dialogue de programmation. La mise en œuvre des terminaux de programmation prévus à cet effet est simplifiée par l’utilisation de logiciels informatiques.

Organisation modulaire de l’automate programmable

L’automate programmable se présente comme un ensemble de blocs fonctionnels s’articulant autour d’un canal de communication: le bus interne. Généralement, chaque bloc est physiquement réalisé par un module spécifique. Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration pour les besoins de l’utilisateur, ainsi qu’un diagnostic et une maintenance facilités.

Les différents modules de l’automate programmable se montent dans une baie contenant le “fond du panier” (bus + connecteurs). Chaque module possède un bornier de raccordement équipé d’un ensemble de visualisation de l’état logique de chaque voie (diodes électroluminescentes et conducteurs optiques). Deux types de raccordement vers l’extérieur sont utilisés

• les liaisons “fil à fil”
• les liaisons “séries" ou “parallèles”

Modules d’entrées/sorties “Tout Ou Rien”

• modules d’entrées

Un module d’entrées doit permettre à l’Unité Centrale de l’automate, d’effectuer une “lecture” de l’état logique des capteurs qui lui sont associés (module 4, 8, 16 ou 32 entrées). A chaque entrée correspond une voie qui traite le signal électrique pour élaborer une information binaire, le bit d’entrée qui est mémorisé. L’ensemble des bits d’entrées forme le “mot” d’entrées. Périodiquement, le Processeur de l’automate programmable vient questionner (adresser) le module: le contenu du mot d’entrées du module est alors recopié dans la mémoire DONNEES de l’automate programmable.

Chaque voie est filtrée (parasites, rebondissements des contacts) et isolée électriquement de l’extérieur pour des raisons de fiabilité et de sécurité (isolement galvanique).

Un module d’entrées est principalement défini par sa modularité (nombre de voies) et les caractéristiques électriques acceptées (tension, nature du courant...).

• modules de sorties

Un module de sorties permet à l’automate programmable d’agir sur les actionneurs. Il réalise la correspondance: état logique signal électrique. Périodiquement, le processeur adresse le module et provoque l’écriture des bits d’un mot mémoire sur les voies de sorties du module.

L’élément de commutation du module est soit électronique (transistors, triac) soit électromécanique (contacts de relais internes au module).

Modules d’entrées/sorties analogiques

Le module analogique permet d’établir la correspondance entre valeurs numériques et grandeurs analogiques (courant ou tension). La résolution (plus petit échelon de courant ou tension) est fonction du nombre de bits utilisés pour le codage numérique.

La rapidité de conversion est également une caractéristique du module.

• modules d’entrées

Il existe deux types de modules d’entrées analogiques:

• les entrées de détection de seuil;
• les entrées de mesure analogique (conversion analogique/numérique).

Un réglage d’échelle est généralement possible, permettant d’élargir les possibilités de mesure. On utilise couramment un tel module pour la mesure de température : la sonde résistive est reliée directement au module, lequel réalise ou non certaines opérations de linéarisation du signal délivré par le capteur avant écriture du mot (de n bits) dans la mémoire.

• modules de sorties

Chaque sortie est l’image analogique de la valeur numérique codée sur une chaîne de bits (en général de 8 à12 bits) définie par programme. Les modules analogiques de sortie, permettent, associés à des pré-actionneurs (gradateurs de puissance, varia­teurs de vitesse...), de réaliser des fonctions de commande et régulation. Chaque sortie est définie par la nature du courant délivré et par ses limites (0-10 V, 4-20 mA).

Modules de communication

La liaison “série” asynchrone est très utilisée pour le dialogue entre l’auto­mate programmable et les périphéri­ques (terminaux de programmation ou d’exploitation, imprimantes...). Ce mode de communication permet l’échange de “caractères” composés d’une séquence de bits transmis les uns derrière les autres sur la ligne. La

vitesse de transmission s’exprime en bits par seconde (ou bauds). Les inter­faces suivent les spécifications don­nées par les normes (avis 24 du CCITT, norme RS232C de l’EIA)(1)

(1)CCITT Comité Consultatif International Telp et Teleg. EIA Electronic Industrie Association.

• modules de communication par liaisons “série” asynchrones

Le module de liaison “série” asynchrone assure la mise en forme des informations, mais c’est l’Unité Centrale de l’automate qui gère véritablement la communication (débit, parité, format et gestion du trafic, caractère par caractère).

Le module utilise des mémoires tampons pour le stockage temporaire des informations émises ou reçues. L’émission et la réception des signaux peuvent être simultanées ou alternées.

• modules “spécialisés”

Il est possible de construire des modules spécialisés intelligents à partir d’un microprocesseur. Un micro-programme et des interfaces spécialisés permettent alors de disposer de modules assurant de façon autonome et performante certaines fonctions d’automatismes. Il existe des modules de positionnement (incluant le comptage rapide d’impulsions), de gestion évoluée d’une communication (réseau local), de régulation numérique...

Moyens de détection en liaison avec l’automate programmable

• Capteurs et automate programmable

L’illustration ci-dessous schématise une liaison fil à fil entre un capteur et l’automate programmable: lorsque le capteur ferme le circuit, les bornes du module d’entrées sont activées; le signal est ainsi pris en compte par l’au­tomate programmable.

Le raccordement des capteurs se fait directement sur l’automate programmable, sans exiger d’interfaces, grâce aux modules d’entrées incluant les adaptations et protections nécessaires.

• Capteurs et signaux transmis

Au-delà du simple capteur à contact schématisé ci-dessus, les capteurs sont en fait très variés afin de répondre aux multiples problèmes de détection posés sur les machines.

On peut distinguer les grandes familles de capteurs par les types de signaux qu’ils transmettent: signaux Tout Ou Rien, signaux numériques, signaux analogiques.

Capteurs “intelligents” en dialogue avec l’automate programmable

Pour satisfaire aux besoins d’automa­tisation, en plus des capteurs “Tout Ou Rien”, il est souvent nécessaire d’utiliser des capteurs “intelligents”.

L’addition d’une intelligence au niveau des capteurs entraîne le besoin de transmettre des informations plus complètes:

• soit en transmissions codées “paral­lèles" sur plusieurs conducteurs reliés aux modules d’entrées/sorties “Tout Ou Rien” de l’automate programmable;

• soit en transmissions codées séries, par un câble spécialisé relié au module correspondant de l’automate programmable.

Les gammes des capteurs intelligents sont en développement constant.

Moyens d’action d’un automate programmable dans un système automatisé

L’illustration ci-dessous schématise la liaison d’action la plus classique: à partir d’une carte de sorties, l’auto­mate programmable agit directement sur un pré-actionneur contacteur, variateur de vitesse, électro-distributeur,...

En effet, les modules de sorties de l’automate programmable incluent les adaptations et protections nécessaires pour que cette liaison soit réalisée sans interface.

L’illustration suivante détaille les cas rencontrés le plus fréquemment pour la commande d’actionneurs par l’automate programmable:

1. La commande de micro-moteurs électriques, de voyants et éléments de faible puissance, d’électrovannes de débit peut se faire en direct, sans pré-actionneurs: en effet, la puissance disponible aux bornes des modules de sorties des automates programmables est en général de l’ordre de 10 watts.
2. La commande des contacteurs qui alimentent les moteurs, résistances,... se fait directement dans la plupart des cas.
3. La commande des électrovannes de pilotage pneumatique (P = 1 à10 W), se fait également directement. Dans le cas des électrovannes hydrauliques (P = 30 à 50 W), il faut un relayage de puissance extérieur à l’automate programmable, ou bien des modules de sorties spécialisés proposés par certaines gammes.
4. Les interfaces modulaires électro­pneumatiques permettent une structure des automatismes particulièrement homogène avec les automates programmables
5. Enfin, les variateurs de vitesse pour moteurs à vitesse variable sont directement commandés par des modules à sorties analogiques de l’automate programmable.

Des modules de sorties industriels

Faisant partie de toute gamme performante d’automates programmables, ce type de module de sorties constitue, avec les modules d’entrées équivalents, une des caractéristiques essentielles des automates programmables par rapport aux autres technologies d’automatismes programmables. Contrairement aux cartes électroniques standards et spécifiques, les automates programmables s’intègrent directement dans les ensembles industriels, sans exiger la mise en oeuvre d’interfaces pour commander les différents organes sur la machine.

Les cas rencontrés le plus fréquemment pour la commande d’actionneurs par l’automate programmable.