Automate Programmable. Aux États-Unis, vers 1969, lindustrie automobile demande un contrôleur reprogrammable

Automate Programma

ble

Automate Programmable

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

Le cahier des chargesCondition d’utilisation en milieu industriel:

bruit électrique, poussière, température, humidité,

Contexte:

dans les années ‘60, les ordinateurs exigent un environnement particulier.

Le cahier des charges

Variété et nombre des entrées/sorties:

nombreux types de signaux :grandeur physique :

tension, courant, …pression, débit, ….

nature : analogiquenumérique (codé sur 2N bits,

“Digital”)tout ou rien (logique, “Discrete”)

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)


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

Le cahier des chargesSimplicité de mise en œuvre:

doit être utilisable par le personnel en place

programmation facileContexte:

dans les années ‘60, les ordinateurs sont d’une utilisation complexe.


Langage de programmation très simple:

“LADDER” - Diagrammes échelle

Le cahier des chargesCoûts acceptables

Contexte: dans les années ‘60, les ordinateurs sont d’un coût plutôt astronomique.

Les précurseursAllen Bradley

60% du marché Nord-Américain

Modicon

ALSPA (1971 - France)

Télémécanique (1971 - France)

Organisation fonctionnelleSchéma de l’automate

ALI

MENTATI

ON

UNITE

CENTRALE

CARTE

D'ENTRÉE

CARTE

DE

SORTIE

MODULE

DE

FONC.

BUS INTERNEOU EXTERNE

Organisation fonctionnelleAutomate non-modulaire

Organisation fonctionnelleAutomate modulaire

Etapes de configuration d’un API

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

Alimentation110 V CA / 220 V CA

+24 V CC

+5 V CC

+/- 12 V CC

Module d’alimentation

Module d’alimentationIl faut gérer correctement cette ressource

Alimentation110 V CA / 220 V CA

+24 V CC

+5 V CC

+/- 12 V CC

P PCA CC

Module d’alimentationCalcul du bilan de puissance:

CPU - Modèle A

CPU - Modèle B

CPU - Modèle C

800

ItemConsommation en mAQuant. Somme

1200

1400

E.L. 16 X 24 Vcc

E.L. 32 X 24 Vcc

E.L. 8 X 120 Vca

25

25

29

S.L. 16 X 24 VccS.L. 8 X 120 Vcc

(relais)S.L. 8 X 120 Vca

(triac)

55

45

50

Consommation totale mA

Module d’alimentationCalcul du bilan de puissance:

CPU - Modèle A

CPU - Modèle B

CPU - Modèle C

800

ItemConsommation en mA

1Quant.

800Somme

1200

1400

E.L. 16 X 24 Vcc

E.L. 32 X 24 Vcc

E.L. 8 X 120 Vca

252 50

25

292 58

S.L. 16 X 24 VccS.L. 8 X 120 Vcc

(relais)S.L. 8 X 120 Vca

(triac)

551 55

451 45

50

1008Consommation totale mA

Module d’alimentationChoix du bloc d’alimentation:On doit avoir au moins 1.008 A

PS - 2A

PS - 5A

PS - 7A

Alimentation Qté

1

L’unité centraleModule de l’automate constitué de :processeur:

microprocesseur ou microcontrôleurmémoire:

ROM, RAM, EPROM, E2PROM

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


Technologie câblée:(A+B)*/C

ABC

LN 210ON 211AN 212= 230


Technologie microcontrôlée:


Types d’instructions disponibles :

LogiqueArithmétiqueTransfert de mémoireComptageTemporisationScrutation pas à pas


Types d’instructions disponibles :

Lecture immédiate des entréesÉcriture immédiate des sortiesBranchements, sautsTest de bit ou de motDécalageConversion

InterruptionContrôle P.I.D.

L’unité centrale : MémoireExprimée en ko ou MoGros automates:Quelques Mo.

Répartition des zones mémoires :Table image des entréesTable image des sortiesMémoire des bits internesMémoire programme d’application

L’unité centrale : Mémoire

L’unité centrale : MémoireType de mémoire:RAM: Random Access Memory

Entrée des données (écriture)

Sortie des données (lecture)

RAM

Adresse

L’unité centrale : MémoireType de mémoire:ROM: Read Only Memory

Sortie des données (lecture)

ROM

Adresse

L’unité centrale : MémoireType de mémoire:

PROM: Programmable Read Only MemoryMémoire qui ne peut être programmée qu’une seule fois (par l'utilisateur en utilisant un PROM programmer).

EPROM: Erasable Programmable Read Only MemoryMémoire pouvant être programmée plusieurs foisEffaçage par rayons ultra-violets.

L’unité centrale : MémoireType de mémoire:E2PROM: Electrically

Erasable Programmable Read Only Memory

1. Re-programmer plusieurs fois (entre 10000 et 100000 fois)

2. Peut être effacée par signaux électriques

3. Coûteuse

L’unité centrale : MémoireTable image des entrées :

Copie des entrées reçues.

CPU

I 124.X

I 125.X

I 126.X

7 0CartesEntrées

I 124

Capteur

Table image

Octets

Bits

L’unité centrale : MémoireTable image des sorties :

Résultats à envoyer aux sorties.

CPU

Q124.X

Q125.X

Q126.X

7 0CartesSorties

Q 124 Actionneur

Table image

Octets

Bits

L’unité centrale : MémoireConnexion E/S entre l'API et l'automatisme piloté.

Cartes Entrées

Cartes SortiesQ 124

Actionneur

Q124.X7 0

I 124.X7 0

I 124Capteur

I 124.5 Q124.1

CPU

L’unité centrale : MémoireRecommandation sur la quantité de mémoire à acheter:

On estime que chaque E/S utilise 10 octetsOn ajoute une marge supplémentaire de 25 à 50 %.

ISA: Instrument Society of America

L’unité centrale : MémoireExemple 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 (173+125) + 25% = 3725 octets.

Alors une mémoire minimale de 4 ko recommandée.

L’unité centraleMode de fonctionnement synchrone :

Lecture synchrone de toutes les entréesÉcriture synchrone à toutes les sorties

Fonctionne de façon cyclique

L’unité centraleTraitement séquentiel :

Remise à 0 du chien de garde

Lecture des entrées

Exécution du programme

Écriture aux sorties

L’unité centraleTemps de scrutation vs Temps de réponse :

temps

Opérateur appui sur bouton

Prise en compte

Effet en sortie

L’unité centraleSpécification de la vitesse de traitement :

En millisecondes par kilomots d’instructions logiques Temps de traitement d’une opération

L’unité centraleSpécification 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.

L’unité centraleChien 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.

L’unité centraleChien 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 sortiesArrêt de l'exécution du programmeSignalisation de la défaillance

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.

Les cartes d’entrées logiques

Organisation (partie 1):

RedresseurSignal CA

Signal CC

Protectioncontre

l'inversion detension

Mise en formedu signal

Rappel :

DC

r

diode passante

DC

r

diode bloquée

0.7VI = 0

r

Redressementmono-alternance

AC

Rappel :


Redresseur:Transforme la tension CA en tension CC.

En

trée

CA

So

rtie

red

ress

ée

Diode

RedresseurSignal CA

Signal CC

Protectioncontre




Protection contre l’inversion de tension:Évite de détruire la carte suite à une erreur de câblage.

En

trée

CC

So

rtie

pro

tég

ée

Diode

Résistance

RedresseurSignal CA

Signal CC

Protectioncontre



+

-

Diode bloquée

-

+

Diode passante0.7V


Mise en forme du signal:Détecteur à seuil de tension.

t

t

VE

VS

1

0

RedresseurSignal CA

Signal CC

Protectioncontre



Cette différence de tension apporte une immunité aux bruits sur le signal.


Mise en forme du signal:Détecteur à seuil de tension.

t

t

VE

VS

1

0

RedresseurSignal CA

Signal CC

Protectioncontre



t

VE

VS

1

0



Immunité auxparasites

industriels etau rebond des

contacts

Séparationgalvanique

Visualisationde l'étatlogique

Vers CPU


Immunité aux parasites industriels et élimination des effets de rebondissement:Filtres retardateurs.

t

VE

1

0

t

VS

1

0

Retard


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.

En

trée

So

rtie

LED

Phototransistor

Optocoupleur


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.

En

trée

So

rtie

LED

Phototransistor

Optocoupleur


Visualisation de l’état logique:Diode électroluminescente

(Light-Emitting Diode - LED).

Résistance LED


Entrée CC typique: Entrées TTL (Transistor - Transistor Logic) avec une tension de 0 à 5v.

Protection contre l’inversion

Protection galvanique

Filtre


Entrée CA typique:

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

Spécifications (exemple)


Recommandation sur le nombre de cartes d’entrées à acheter:Nombre d’entrées + 20 %


Exemple d’un automate ayant:74 entrées logiques 24 Vcc;59 entrées logiques 120 Vca;40 entrées logiques 5 Vcc.


Nombre de cartes de 16 points de 24 Vcc requises:

74 + 20% = 88,8 entrées88,8/16 : 6 cartes (96 entrées)

Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises:

59 + 20% = 70,8 entrées70,8/8 : 9 cartes (72 entrées)


Nombre de cartes de 16 points de 5 Vcc requises:

40 + 20% = 48 entrées

48/16 3 cartes (48 entrées)

Les cartes de sorties logiques


Mémorisationdu résultat

CPUSéparationgalvanique


Mémorisation du résultat sur la carte

D QDu CPU Valeur mémorisée


Séparation galvanique:Protection de l’automate contre des surtensions.

En

trée

So

rtie

LED

Phototransistor

Optocoupleur



Commutation &amplificationde puissanceadaptées à la

charge

ProtectionVisualisation

de l'étatlogique

Vers actionneur


Commutation et amplification de puissance adapté à la charge

So

rtie

Transistor depuissance

Résistance

Entrée

S

Charge

Ib

Ic

Ic = B*Ib


Protection contre l’inversion de tension et protection contre les surcharges

Fusible

SSortie

Charge


Visualisation de l’état logique:Diode électroluminescente.

Résistance LED


Sortie CC de type source (API est la source qui fournit le courant) :

Courant électrique Ic = B1*B2*Ib


Sortie CC de type sink (API reçoit le courant) :

Courant électrique


Sortie CA à triac (montage de deux diodes en tête-bêche) :

Spécifications (exemple)Nombre de points de sortiePlage de tension d’utilisationTension maximaleType de sortiePlage de fréquence (CA)Courant de charge maximalPar pointPar groupe de points

Spécifications (exemple)


Recommandation sur le nombre de cartes de sorties à acheter:Nombre de sorties + 20 %



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:88 + 20% = 105,6 sorties105,6/16 : 7 cartes (112 sorties)Nombre de cartes de 8 points de 120 Vca requises (triac):37 + 20% = 44,4 sorties44,4/8 : 6 cartes (48 sorties)


Cartes I/O analogiquesConversion 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.

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, ...)


Schéma de principe d’une boucle analogique 4 - 20 mA:

Capteur API


Principe:

AMPLI

Sonde de température

Plage:0°C à 250°C

PLC

Plage:0 V à 5 V

Signal électrique

Plage:0 à 255

Valeur numérique

Mesure:68°C

Mesure:1.360 V

Mémoire:69

SpécificationsRésolution 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 8Plage de tension ou de courant

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 valveEx. 2: Vitesse d’un moteur CC


Principe:

DRIVE

Moteur électrique

Plage:0 RPM à 4500 RPM

PLC

Plage:4 mA à 20 mA

Signal électrique

Plage:0 à 1023

Valeur numérique

Vitesse:3902.3 RPM

Génère:17.875 mA

Mémoire:888

SpécificationsRésolution de la carte :

8, 10, 12 et 16 bits (de $ à $$$$)Temps de conversion :

de l ’ordre des qq secNombre de points de sortie :

1, 2, 4 ou 8Plage de tension ou de courantCharge maximum admissible


Interfaces de communication

But:permettre le dialogue avec d’autres automates, des imprimantes, des calculateurs, des consoles de visualisation, des consoles de programmation

Moyen donnéesdonnées

Génération DetectionTransfert

Canal 1 de transmission

Canal 2 de transmission

Canal n de transmission


Transmission « Half Duplex » (transmission dans un seul sens à un instant donné)

Transmission « Full Duplex » (transmission dans les deux sens à un instant donné)


Méthodes de transmission :Communication parallèle :

Communication se série


Méthodes de transmission :Communication parallèle :

Transmission de chaque bit par un canal

8, 16, 32, … canauxAvantage : vitesse de transmission de données très élevéeInconvenient : décalage et donc problème de synchronisation au niveau du récepteur.

Résultat : les distances doivent être courtes.


Contrôle d’erreurs et correction :

•Echo check

•Vertical Redunduncy Check

•Longitudinal Redunduncy Check

•Cyclical Redunduncy Check


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.


Contrôle d’erreurs et correction :

•Vertical Redunduncy CheckVérification du bit de parité

Bit de parité:Parité paireNombre de 1 transmits pair

Parité impaireNombre de 1 transmit impair

1 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 0 1 1 0 1

1 1 0 0 0 1 0 0

Interfaces de communicationContrôle 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.

Mot P U M P

Bit 1 0 1 1 0Bit 2 0 0 0 0Bit 3 0 1 1 0Bit 4 0 0 1 0Bit 5 1 1 0 1Bit 6 0 0 0 0Bit 7 1 1 1 1

Vertical Parity Bit 1 1 1 1

Parité impaire

Interfaces de communicationContrôle 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.

Mot P U M P LRC Parity

Bit 1 0 1 1 0 1Bit 2 0 0 0 0 1Bit 3 0 1 1 0 1Bit 4 0 0 1 0 0Bit 5 1 1 0 1 0Bit 6 0 0 0 0 1Bit 7 1 1 1 1 1

Vertical Parity Bit 1 1 1 1 1

Parité impaire

Interfaces de communicationContrôle d’erreurs et correction :•Longitudinal Redunduncy Check (LRC) Utilisé avec VRC.Mot P U M P LRC Parity



Mot P U M P LRC Parity



Emetteur

Récepteur

?

?1


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.


Vitesse de transmission:Nombre de bits par secondeBAUD.

Télex: 300 BaudsMessage de 1 ko : 33.3 secondesFibre optique: 800 000 000 BaudsMessage de 1 ko : 1,25 micro.s

Baud RateA 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.


Liens réseaux:

EthernetMAP IIIGMDevicenetControlnetProfibus...

Les modules PIDPermet 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 msCertain modèles ($$$) : >10 ms

Système à dynamique lente !! (ex. : four)

Les modules PID

dt

tdeKdtteKteKtU dip

)()()()(

C(p) G(p)v(t) U(t) s(t)e(t)+

-

Le contrôle de déplacement rotatif

Le codeur rotatif est : - un capteur de position angulaire, - lié mécaniquement à un arbre qui

l'entraîne.

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.

Le contrôle de déplacement rotatifTypes : - Codeur absolu

- Codeur incrémental

Le contrôle de déplacement rotatif : codeur absolu

Communication en parallèle.


Exemple :


Exemples : Code binaire naturel et code binaire réléchi


Utilisation de différents codes:


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’entréesLargeur du codageVitesse d’évolution des signaux d’entrée

Le contrôle de déplacement rotatif : codeur incrémental

Communication sérielle.


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. http://ak-industries.com/incremental.htm


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.

Les cartes de comptage rapide

S’adaptent à divers capteurs de vitesse à impulsions.

Les cartes de comptage rapide

Spécifications:Fréquence des signaux d’entréeGénéralement <100 kHzDomaine de comptageNombre de bits du registre de comptageFonctionnement en quadrature ou non

Les cartes d’axesPour le contrôle d’un ou de plusieurs moteursCA / CC / Pas-à-pasCommande numérique intégréeInterpolation linéaire, circulaire

Remarque :Les moteurs ne peuvent être asservis avec les modules PID.Périodes d ’échantillonnage plus courtes sont requises.

Les modules d’interruptionUne 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.

Les modules d’interruptionUn automate peut réagir à diverses sources d’interruptions.

Signaux d’entrées :Temps

Heure et jour donnéPériodique

Les interruptionsPrincipe de l’interruption

Programmenormal

Interruption(OB13)

Les terminaux industrielsIls assurent les fonctions de programmation & de maintenance du logiciel des automates.

Les terminaux industrielsPermettent (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

Norme de cablâge autour des automates

Langages standardsLangages 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)

FBDFunction Block Diagram

Exemple

SFCSequential Function Chart

Exemple

ILInstruction List

Exemple

STStructured Text

Exemple

Documents

Automate Programmable. Aux États-Unis, vers 1969, lindustrie automobile demande un contrôleur reprogrammable