1.1 Systemes de commande
Quelles taches un systeme de com m ande p eu t-ilp ren d re en charge ? II peut etre charge de controler une sequence d’evenements, de maintenir constante une certaine variable ou de suivre un changement prevu. Par exemple, le systeme de commande d’une perceuse automatique (voir Figure 1.1a) peut demarrer la descente du foret lorsque la piece est en position, demarrer le per^age lorsque le foret arrive sur la piece, stopper le per^age lorsque la profondeur du trou souhaitee est atteinte, retirer le foret, arreter la perceuse, puis attendre que la piece suivante arrive en position avant de repeter le processus. Un autre systeme de commande (voir Figure 1.1b) pourrait etre utilise pour verifier le nombre d’articles convoyes par une bande transporteuse et les diriger vers une caisse. Les entrees de ces systemes de commande peuvent provenir d’interrupteurs, qui sont ouverts ou fermes. Par exemple, la presence de la piece peut etre signalee par son contact avec un interrupteur, qui se ferme, ou par d’autres capteurs, par exemple de temperature ou de debit. Le contro-leur peut etre charge de commander un moteur pour deplacer un objet vers un certain emplacement ou pour tourner une vanne, ou encore d’allum er ou d’eteindre un radiateur.
Quelles form es un systeme de com m ande peut~il prendre ? Pour la perceuse automa tique, il est possible de cabler des circuits electriques dans lesquels Fouverture ou la fermeture de Finterrupteur conduisent au demarrage de moteurs ou au declenche-ment de vannes. En consequence, les contacts d’un relais peuvent ainsi etre fermes ou ouverts (voir Figure 1.2), ce qui met un moteur sous tension et declenche la rotation du foret (voir Figure 1.3). Un autre interrupteur peut etre utilise pour activer un relais et mettre sous tension une vanne pneumatique ou hydraulique, qui met sous pression un verin afin de pousser la piece dans la position requise. De tels circuits electriques sont specifiques a la perceuse automatique. Pour controler le nombre d’articles places dans un carton, nous pouvons egalement concevoir des circuits electriques qui mettent en oeuvre des capteurs et des moteurs. Cependant, le circuit de chacun de ces systemes de commande sera different. Dans un systeme de commande « traditionnel », les regies de fonctionnement et les actions execu-tees sont determinees par le cablage. Lorsque les regies qui determinent les actions de commande sont modifiees, le cablage doit egalement etre revu.
1.1.1 Systemes de commande a relais
Les systemes de commande a relais sont des systemes cables. La Figure 1.2 illustre
les constituants d’un relais simple. Lorsqu’un courant traverse la bobine du relais, les contacts normalement fermes (NF) s’ouvrent et les contacts normalement ouverts (NO) se ferment. Ces contacts peuvent servir a commander un systeme. Prenons par exemple un relais utilise pour declencher une vanne pneumatique ou hydraulique, ce qui conduit a Fapplication d’une pression a un piston pour deplacer une piece. II est possible de representer ce fonctionnement par un schema de commande. La Figure 1.4 donne les symboles standard pour la representation des relais. Dans le schema de commande illustre a la Figure 1.5, les lignes verticales representent les sources d’alimentation tandis que les lignes horizontales relient les systemes entre eux. La sequence des evenements se lit en partant de la ligne horizontale superieure et en allant vers le bas. Ainsi, dans la ligne superieure de la Figure 1.5a, lorsque Finterrupteur Marche-arret est ferme, le relais est active. Cela declenche la fermeture des contacts representes sur la seconde ligne et, par consequent, Falimentation de Felectrovanne. Un schema plus classique est donne a la Figure 1.5b. Dans ce cas, le relais est active par un bouton-poussoir normale ment ouvert a appui momentane. Son action ferme deux jeux de contacts. Les contacts 1 memorisent I’appui sur le bouton-poussoir afin que son relachement ne coupe pas Falimentation du relais. Les contacts 2 alimentent Felectrovanne. Le relais et, par consequent, Falimentation de Felectrovanne, sont coupes lots de Fappui sur le bouton-poussoir normalement ferme. Ces schemas ne representent evidemment qu’une partie du systeme de commande car il faudrait d’autres lignes pour detecter le moment oil Felectrovanne a deplace la piece de la distance requise et pour stopper son fonctionnement.
La Figure 1.6 montre un autre exemple de systeme de commande a relais. Lorsque le bouton-poussoir Marche est ferme, la bobine du relais est alimentee et memorise I’actionnement du bouton aFin que le relais reste active jusqu’a Fappui sur le bouton Arret. Les contacts NO du relais se ferment et ses contacts NF s’ouvrent. La lampe verte s’allume, contrairement a la lampe rouge qui s’eteint. Suite a Fappui sur le bouton-poussoir Arret, le courant dans la bobine du relais est coupe. Les contacts NO s’ouvrent alors, tandis que les contacts NF se ferment; la lampe verte s’eteint et la lampe rouge s’allume. L’etape suivante du schema pourrait impliquer la mise en marche d’un moteur par les contacts NO. Dans ce cas, la lampe verte indiquerait que le moteur tourne et la lampe rouge qu’il est arrete.
1.1.2 Systemes de commande a microprocesseur
Au lieu de cabler un circuit de commande different pour chaque situation, une
approche permet d’employer le meme systeme de base dans tous les cas. Elle se fonde sur un systeme a base de microprocesseur et sur un programme qui explique a ce microprocesseur comment reagir aux signaux d’entree, par exemple issus d’interrupteurs, et comment produire les sorties requises, par exemple sur des moteurs ou des vannes. Ainsi, nous pourrions avoir un programme de la forme suivante :
Si 1 ’ interrupteur A se ferme
A ctiver la so rtie du c ir c u it du moteur
Si 1 ’ interrupteur В se ferme
A ctiver la so rtie du c ir c u it de la vanne
En modifiant les instructions du programme, nous pouvons conserver le meme systeme a microprocesseur pour commander une grande diversite de cas.
Prenons fexemple d’une machine a laver le linge moderne a base de microproces seur. Ses entrees proviennent des cadrans de selection du programme de lavage, d’un interrupteur qui indique la fermeture de la porte, d’un capteur qui determine la temperature de I’eau et d’un interrupteur qui detecte le niveau d’eau. Le programme du microprocesseur utilise ces entrees pour positionner les sorties de maniere a demarrer le moteur du tambour et controler sa vitesse, a ouvrir et a fermer les vannes d’eau chaude et d’eau froide, a mettre en marche la pompe de vidange, a commander la resistance de chauffage et a controler le verrou de la porte pour que la machine ne puisse pas etre ouverte avant la Pin du cycle.
1.1.3 Automates programmables industriels
Un autom ate program m able industriel (API) est une forme particuliere de contro-
leur a microprocesseur qui utilise une memoire programmable pour stocker les instructions et qui implemente differentes functions, qu’elles soient logiques, de sequencement, de temporisation, de comptage ou arithmetiques, pour commander les machines et les processus (voir Figure 1.7). II est con^u pour etre exploite par des ingenieurs, dont les connaissances en informatique et langages de programmation peuvent etre limitees. La creation et la modification des programmes de ГАР1 ne sont pas reservees aux seuls informaticiens. Les concepteurs de ГАР1 Pont preprogramme pour que la saisie du programme de commande puisse se faire a I’aide d’un langage simple et intuitif (voir Chapitre 4). La programmation de ГАР1 concerne principalement la mise en oeuvre d’operations logiques et de commuta tion, par exemple, s\ А оиЪ se produit, alors allumer C, ou s\ A et^ se produisent, alors allumer D. Les dispositifs d’entree, c’est-a-dire des capteurs, comme des interrupteurs, et les dispositifs de sortie, c’est-a-dire des moteurs, des vannes, etc., du systeme sont connectes a I’API. L’operateur saisit une sequence d’instructions, le programme, dans la memoire de I’API. L’automate surveille ensuite les entrees et les sorties conformement aux instructions du programme et met en oeuvre les regies de commande defmies.
Les API presentent un avantage majeur : le meme automate de base peut etre employe avec une grande diversite de systemes de commande. Pour modifier un systeme de commando et les regies appliquees, un operateur doit simplement saisir une suite d’instructions differente. On obtient ainsi un systeme flexible et econo-mique, utilisable avec des systemes de commando dont la nature et la complexite peuvent varier enormement. En comparaison des systemes a relais, les API :
- simplifient les modifications car elles sont mises en oeuvre de fa(;on logicielle et non pas par des solutions materielles plus complexes ;
- peuvent etre facilement etendus par I’ajout de nouveaux modules, alors que des changements materiels sont sinon requis ;
- sont plus robustes et plus fiables en raison d’un nombre de composants meca-niques moindre ;
- sont plus compacts ;
- exigent une maintenance moindre ;
- sont plus rapides.
Les API sont comparables aux ordinateurs. Toutefois, alors que les ordinateurs sont optimises pour les taches de calcul et d’affichage, les API le sont pour les taches de commando et les environnements industriels. Void ce qui differencie les API par rapport aux ordinateurs :
- Ils sont solides et con^us pour supporter les vibrations, les temperatures basses
ou elevees, Thumidite et le bruit. A contrario, les ordinateurs personnels ne sont pas faits pour operer dans des milieux hostiles.
- Les interfaces des entrees et des sorties sont integrees a I’automate. Les API au format modulaire peuvent etre facilement etendus pour recevoir un plus grand nombre d’entrees-sorties.
- Ils sont simples a programmer et leur langage de programmation d’apprentissage facile est principalement oriente sur les operations logiques et de commu tation. Ils sont par consequent plus conviviaux.
- Ils sont moins adaptes au stockage a long terme et a fanalyse des donnees.
- Ils sont d’une fiabilite superieure et moins sujets aux dysfonctionnements que
les ordinateurs personnels.
Les premiers API ont ete con^us en 1969 ; ils sont a present largement utilises. Ils
prennent la forme de petites unites autonomes pour environ vingt entrees-sorties numeriques ou de systemes modulaires qui peuvent etre employes pour des entrees-sorties tres nombreuses, analogiques ou numeriques, et qui disposent des modes de regulation PID (proportionnel, integral et derive). On les retrouve dans Pautomatisation des processus industriels, comme I’usinage, la manutention, I’assemblage automatique et le conditionnement. Cependant, dans le cas des taches d’automatisation tres simples, par exemple pour un lave-linge domestique, une autre solution moins couteuse sera probablement retenue. Lorsque les contraintes sont fortes, par exemple dans le cas du controle du vol d’un avion, un ordinateur aura la preference car il est capable d’effectuer des operations mathe-matiques complexes avec une vitesse de traitement elevee.
1.2 Materiel
De maniere generale, un API est structure autour de plusieurs elements de base que sont I’unite de traitement, la memoire, I’unite d’alimentation, les interfaces d’entrees-sorties, finterface de communication et le peripherique de programmation (voir Figure 1.8) :
Le processeur ou unite centrale de traitem ent (CPU, Central Processing Unit) contient le microprocesseur. Le CPU interprete les signaux d’entree et effectue les actions de commande conformement au programme stocke en memoire, en communiquant aux sorties les decisions sous forme de signaux d’action.
\1 unite d ’alim entation est indispensable puisqu’elle convertit une tension alter native en une basse tension continue (5 V) necessaire au processeur et aux modules d’entrees-sorties.
Le peripherique de program m ation est utilise pour entrer le programme dans la memoire du processeur. Ce programme est developpe sur le peripherique, puis transfere dans la memoire de Г API.
La m em oire contient le programme qui defmit les actions de commande effec-tuees par le microprocesseur. Elle contient egalement les donnees qui provien-nent des entrees en vue de leur traitement, ainsi que celles des sorties.
Les interfaces d'entreeS'Sorties permettent au processeur de recevoir et d’envoyer des informations aux dispositifs exterieurs. Les entrees peuvent etre des interrupteurs, comme dans le cas de la perceuse automatique (voir Figure 1.1a), ou d’autres capteurs, comme des cellules photoelectriques dans le cas du meca-nisme de comptage (voir Figure 1.1b), des sondes de temperature, des debit-metres, etc. Les sorties peuvent etre des bobines de moteur, des electrovannes, etc. Nous reviendrons sur les interfaces d’entrees-sorties au Chapitre 2. Les dispositifs d’entrees-sorties peuvent etre classes en trois categories, selon qu’ils produisent des signaux discrets, numeriques ou analogiques (voir Figure 1.9). Les dispositifs qui generent des signaux discrets ou num eriques sont ceux dont les sorties sont de type tout ou rien. Par consequent, un interrupteur est un dispositif qui produit un signal discret : presence ou absence de tension. Les dispositifs num eriques peuvent etre vus comme des dispositifs discrets qui produisent une suite de signaux tout ou rien. Les dispositifs analogiques creent des signaux dont I’amplitude est proportionnelle a la grandeur de la variable surveillee. Par exemple, un capteur de temperature peut produire une tension proportionnelle a la temperature.
interface de com m unication est utilisee pour recevoir et transmettre des donnees sur des reseaux de communication qui relient ГАР1 a d’autres API distants (voir Figure 1.10). File est impliquee dans des operations telles que la verification d’un peripherique, I’acquisition de donnees, la synchronisation entres des applications et la gestion de la connexion.
1.3 Architecture d'un API
Un API est generalement constitue d’une unite centrale de traitement (CPU, C entral P rocessing Unit) qui comprend le microprocesseur, la memoire et les entrees-sorties du systeme. II peut en realite etre vu comme une entite composee d’un grand nombre de relais, compteurs, temporisateurs et unites de stockage de donnees, meme si ces elements n’existent pas physiquement dans ГАР1 et sont simules de fa<;on logicielle.
La capacite de stockage d’une unite de memoire est determinee par le nombre de mots quelle peut enregistrer. Si la taille d’une memoire est de 256 mots, elle peut Stocker 256 X 8 = 2 048 bits, pour des mots de huit bits, et 256 X 16 = 4 096 bits, pour des mots de seize bits. Le terme octet {byte) est utilise pour designer un mot de huit bits. La taille de la memoire est souvent indiquee en fonction du nombre d’emplacements disponibles. 1 К represente le nombre 2^^, c’est-a-dire 1 024. Une memoire de 4 К octets peut done enregistrer 4 096 octets, et une memoire de 50 К octets en stockera 51 200.
1.3.1 Unite d'entrees-sorties
L’unite d’entrees-sorties (E/S) d’un API apporte le circuit d’interface entre le
systeme et le monde exterieur. Au travers de canaux d’entrees-sorties, elle permet d’etablir des connexions avec des dispositifs d’entree, comme des capteurs, et des dispositifs de sortie, comme des moteurs et des solenoi'des. C’est egalement par I’intermediaire de cette unite que se fait la saisie des programmes depuis un terminal. Chaque point d’entree-sortie dispose d’une adresse unique, que le CPU peut utiliser. Le principe est comparable a une rangee de maisons le long d’une rue ; le numero 10 peut correspondre a la « maison » pour I’entree d’un capteur particulier, tandis que le numero 45 peut correspondre a la « maison » utilise pour la sortie vers un moteur specifique.
Puisque les canaux d’entrees-sorties mettent en place les fonctions d’isolation et de traitement des signaux, il est possible de connecter directement des capteurs et des actionneurs aux canaux, sans passer par un autre circuit d’interface (voir Figure 1.11). L’isolation electrique avec le monde exterieur est generalement realisee par des photocoupleurs (egalement appeles optocoupleurs), dont le principe est illustre a la Figure 1.12. Lorsque la diode electroluminescente (LED, Light E mitting Diode) est traversee par une impulsion numerique, elle produit un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement est detecte par le phototransistor, qui fait naitre une tension dans son circuit. L’espace qui separe la LED et le phototran sistor cree une isolation electrique, mais une impulsion numerique dans le premier circuit permet neanmoins de produire une impulsion numerique dans le second circuit.
Le traitement du signal realise au niveau du canal d’entree, avec I’isolation, permet de manipuler une grande diversite de signaux d’entree. II est converti en une tension compatible avec celle requise par le microprocesseur qui equipe ГАР1 (voir Chapitre 3). Un API elabore peut ainsi acceder a des entrees dont les signaux numeriques/discrets (c’est-a-dire tout ou rien) utilisent des tensions de 5 V, 24 V, 110 V et 240 V. Un API de base sera generalement en mesure d’utiliser une seule forme d’entree, par exemple des signaux 24 V.
Les canaux de sortie permettent d’obtenir les sorties de ГАР1 sous une forme adaptee a un connexion directe avec des circuits externes. Les sorties sont de type relais, transistor ou triac (voir Chapitre 3 pour plus de details) :
— Avec le type relais, le signal issu d’une sortie de ГАР1 est utilise pour declencher un relais et pent activer des courants de quelques amperes dans le circuit externe. Grace au relais, non seulement des courants faibles peuvent commuter des courants forts, mais Tisolation entre ГАР1 et le circuit externe est egalement assuree. En revanche, les relais sont relativement lents. Les sorties a relais sont adaptees a la commutation de courants alternatifs et continus. Ils peuvent supporter des surtensions transitoires et des courants de choc eleves.
— Avec le type transistor, la sortie se fonde sur un transistor pour commuter le courant dans le circuit externe. Loperation de commutation est done extreme-ment rapide. Toutefois, les sorties de ce type sont adaptees uniquement a la commutation d’un courant continu et sont detruites par les surintensites et les tensions inverses elevees. Pour leur protection, il faut utiliser un fusible ou un systeme electronique. Les photocoupleurs sont employes a des fins d’isolation.
- Avec le type triac, et des photocoupleurs pour risolation, les sorties peuvent servir a controler les charges externes connectees a une alimentation en courant alternatif. Elies prennent en charge uniquement les courants alternatifs et sont tres facilement detruites par les surintensites. De maniere generale, les sorties de ce type sont toujours protegees par des fusibles.
Ainsi, apres le traitement du signal par des relais, des transistors ou des triacs, le canal de sortie est capable de fournir un signal 24 V et 100 mA, une tension continue de 110 V et 1 A, ou 240 V, une tension alternative de 240 V et 1 A ou 2 A. Dans le cas d’un petit API, toutes les sorties seront d’un meme type, par exemple 240 V alternatif et 1 A. En revanche, avec des API modulaires, il est possible de proposer un eventail de sorties en panachant les modules connectes.
1.3.2 Fourniture et absorption de courant
Les termes fou rn itu re {sourcing} et absorption {sinking) decrivent la maniere dont les appareils a courant continu sont connectes a un API. Dans le cas de la fourni ture, en supposant le sens conventionnel du courant du plus vers le moins, un dispositif d’entree revolt le courant a partir du module d’entree. Autrement dit, le module d’entree est une source de courant et le fournit au dispositif d’entree (voir Figure 1.13a). Dans le cas de I’absorption, un dispositif d’entree fournit le courant au module d’entree. Autrement dit, le module d’entree revolt et absorbe le courant (voir Figure 1.13b). Si le courant va du module de sortie vers une charge de sortie, le module de sortie fournit le courant (voir Figure l.l4 a ). En revanche, si le courant va de la charge de sortie vers le module de sortie, celui-ci absorbe le courant (voir Figure 1.14b).
II est important de connaitre le type de la sortie ou de I’entree afin quelle soit branchee correctement a ГАР1. Ainsi, les capteurs avec sorties a fourniture de courant doivent etre connectes aux entrees a absorption de courant de ГАР1, tandis que les capteurs avec sorties a absorption de courant doivent etre connectes aux entrees a fourniture de courant. Si ces directives ne sont pas suivies, finterface avec ГАР1 ne fonctionnera pas et risque d’etre endommagee.
1.4 Systemes API
Les systemes API sont principalement disponibles sous deux formes : en boitier unique et en version modulaire/rack. Le modele en boitier unique, ou cojjret, est souvent utilise pour les petits automates programmables et correspond a un systeme compact complet equipe des unites d’alimentation, de processeur, de memoire et d’entrees-sorties. Ces API peuvent disposer de six, huit, douze ou vingt-quatre entrees, de quatre, huit ou seize sorties et d’une memoire permettant d’enregistrer entre 300 et 1 000 instructions. Par exemple, ГАР1 compact TAR 116-6S de Toshiba dispose de huit entrees 120 V a courant alternatif, six sorties a relais et deux sorties a triax, alors que le modele TDR140-6S plus important possede 24 entrees 24 V a courant continu, 14 sorties a relais et deux sorties a triac. Certains systemes compacts peuvent etre etendus afin d’offrir un plus grand nombre d’entrees et de sorties, simplement en connectant des modules d’extension. La Figure 1.15 presente ГАР1 compact CPIL d’Omron pour la commande de machines. Pour ce modele precis, quatre tailles de processeur sont disponibles, chacune avec la possibilite de choisir entre des sorties a relais ou a transistor. La tension, la sortie et le nombre de points d’E/S peuvent etre selectionnes afin de repondre aux besoins. Le boitier de base, selon le modele choisi, dispose de 10, 14, 20 ou 30 entrees-sorties (E/S). La version a 10 E/S offre six entrees numeriques et quatre sorties, la version a 14 E/S dispose de huit entrees numeriques et six sorties, la version a 20 E/S propose douze entrees numeriques et huit sorties, tandis que la version a 30 E/S offre dix-huit entrees numeriques et douze sorties. II est possible d’opter pour des sorties a relais, a transistor absorbeur de courant ou a transistor fournisseur de courant. Les modeles a 14, 20 et 30 E/S peuvent etre etendus afin d’offrir un plus grand nombre d’entrees-sorties. Par exemple, I’extension du modele 14 E/S permet d’obtenir 54 entrees-sorties.
La Figure 1.16 presente ГАР1 compact FX3U de Mitsubishi. Les tableaux 1.1 et 1.2 detaillent les moddes de cette gamme de Mitsubishi.
Les systemes qui offrent un plus grand nombre d’entrees et de sorties ont toutes les chances d’etre m odulaires et con^us pour s’integrer dans des racks (voir Figure 1.17). Un systeme modulaire est constitue de modules separes pour I’alimentation, le processeur, etc., souvent montes sur des rails dans une armoire metallique. Ce type de systeme pent etre employe pour toutes les tailles d’automates programmables et les differentes unites fonctionnelles sont fournies sous forme de modules individuels qui se branchent a des prises sur un rack de base. Le choix des modules necessaires a la realisation d’un projet precis est decide par
I’utilisateur et ces modules sont ensuite branches dans le rack. II est ainsi plus facile d’etendre le nombre d’entrees-sorties ou la quantite de memoire. Pour cela, il suffit simplement d’ajouter des modules d’entrees-sorties ou des unites de memoire supplementaires. L’alimentation et les interfaces de donnees des modules dans le rack sont fournies par les conducteurs en cuivre sur le fond de panier. Lorsque les modules sont glisses dans le rack, ils s’inserent dans des connecteurs du fond de panier.
Le modele Allen-Bradley PLC-5 de Rockwell Automation est un exemple de systeme modulaire. II comprend au moins une alimentation, un module de commande programmable et des modules d’entrees-sorties. Plusieurs chassis sont disponibles pour la connexion des modules :
— Chassis. Certains chassis d’entrees-sorties 1771 sont con^us pour un montage en fond de panier, tandis que d’autres le sont pour un montage en rack et dans des tallies acceptant quatre, huit, douze ou seize modules d’entrees-sorties.
— M odules de com m ande. Les processeurs PLC-5 sont disponibles dans plusieurs variantes en termes de capacite d’entrees-sorties et de memoire. Par exemple, le PLC-5/11 propose au maximum 512 entrees-sorties et une memoire allant jusqu’a 8 000 mots (voir le Chapitre 3 pour une explication du terme « mot »), tandis que le PLC-5/20 dispose d’au plus 512 E/S et d’une memoire de 16 000 mots. Ils peuvent etre configures pour differents reseaux de communication, comme le PLC-5/20C qui est compatible avec ControlNet et le PLC-5/20E qui utilise Ethernet. II s’agit de modules mono-slot qui se placent dans I’empla-cement de gauche d’un chassis d’entrees-sorties 1771.
— M odules d ’entrees-sorties. Les modules d’entrees-sorties 1771 existent en versions huit, seize ou trente-deux entrees-sorties par module, pour un interfa-^age avec des capteurs a courant alternatif ou continu et des actionneurs. Les modules d’entrees-sorties numeriques s’interfacent avec des capteurs tout ou rien, comme des boutons-poussoirs et des interrupteurs de Pm de course, et avec des actionneurs tout ou rien, comme des moteurs, des lampes temoin et des avertisseurs. Les modules d’entrees-sorties analogiques realisent les conver sions A/N et N/A, avec une resolution allant jusqu’a seize bits. Les entrees-sorties analogiques peuvent etre configurees par I’utilisateur dans I’etat defaut-reponse souhaite en cas de dysfonctionnement des communications. Cette caracteristique permet d’obtenir une reaction/reponse fiable en cas de panne, limite I’etendue des defauts et apporte une reponse previsible aux defauts. Les modules d’entrees-sorties 1771 sont equipes d’un couplage optique et d’un circuit de filtrage pour la reduction du bruit. Les modules d’entrees-sorties numeriques sont compatibles avec des courants alternatifs ou continus de 5 a 276 V. Par ailleurs, les modules de sorties a relais sont disponibles dans les plages 0 a 276 V CA et 0 a 175 V CC. Toute une gamme de niveaux de signaux analogiques peut etre pris en charge, у compris les entrees et les sorties analogiques standard, de meme que les entrees directes pour la mesure de temperature par thermocouple ou resistance. Le module d’entrees numeriques 1771-lB propose ainsi huit entrees avec des tensions comprises dans la plage 10 a 27 V, le 1771-OVN avec 32 entrees numeriques et des niveaux de tension situes entre 10 et 30 V, le module d’entrees analogiques 1771-NIV pour huit entrees en ±5 V et ±20 mA en courant continu, ainsi que le module de sortie analogique 1771-OFE2 pour quatre sorties dans la plage 4 a 20 mA. Un processeur PLC-5 peut communiquer avec les entrees-sorties par une liaison DeviceNet ou Universal Remote I/O.
— M odules de com m unication. Des modules de communication peuvent etre utilises pour augmenter le nombre de ports de communication du processeur PLC-5 et aller au-dela de ceux fournis par un module de commande.
1.4.1 Securite
Puisque les API peuvent etre connectes a des reseaux et qu’ils sont equipes de
systemes d’exploitation temps reel, la question de la securite se pose naturellement. En effet, ces reseaux peuvent etre pirates et des informations peuvent alors tomber dans des mains non autorisees ou des virus peuvent etre implantes. II est egalement possible que des API soient attaques lorsqu’un ordinateur avec lequel ils communiquent a lui-meme ete pirate.
1.5 Programmes
Les programmes utilises avec les API peuvent etre ecrits dans differents formats. Pour que les ingenieurs ayant peu de connaissances en programmation puissent elaborer des programmes pour les API, le langage a contacts a ete con^u. La plupart des fabricants d’automates ont adopte cette methode d’ecriture des programmes. Toutefois, puisque chacun a eu tendance a developper ses propres versions, une norme internationale a ete etablie pour le langage a contacts et, par voie de conse quence, pour routes les methodes de programmation employees avec les API. Cette norme, publiee en 1993 par la Commission electrotechnique internationale, est designee sous la reference CEI 61131-3. La derniere version, qui date de 2013, est une extension qui reste compatible avec la version anterieure.
Les langages de programmation defmis par la norme CEI 61131-3 sont le langage a contacts (LAD, Ladder Diagram)^ les listes d’instructions (IL, Instruction List), les graphes de fonction sequentielle (SLC, Sequential Function Charts), le texte structure (ST, Structured Text) et les diagrammes de schemas fonctionnels (FBD, F unction Block D iagram). La norme comprend une bibliotheque de functions preprogrammees et des blocs fonctionnels. On nomme fonction un calcul prepro gramme, par exemple pour donner la valeur moyenne de deux entrees. Un bloc fonctionnel evalue ses entrees et produit une valeur en sortie, par exemple un bloc de comptage qui compte les impulsions sur ses entrees et genere en sortie un signal lorsque le compteur a atteint une valeur precisee. II s’agit de parties d’un programme de commande qui sont assemblees afin d’etre utilisees en differents endroits du meme programme ou dans differents programmes. La norme CEI donne une definition formelle de chaque parametre d’entree et de sortie afm que des blocs fonctionnels con^us par differents programmeurs puissent etre facilement interconnectes. N’importe quel API conforme a la norme CEI prend en charge ces fonctions sous forme d’une bibliotheque, le code etant ecrit dans la partie PROM d’une memoire flash de I’appareil.
Parmi ces langages, deux sont textuels, le texte structure et les listes d’instruction, et seront saisis sur I’appareil de programmation a partir d’un clavier, une ligne a la fois. Les autres, le langage a contacts, les graphes de fonction sequentielle et les diagrammes de schemas fonctionnels, sont graphiques et un programme peut done etre developpe a partir d’elements graphiques sur Гёсгап de I’appareil de programmation.
1.5.1 La norme CEI 61131
La norme CEI 61131 couvre Tintegralite du cycle de vie des automates program
mables industriels :
— Partie 1 : Definition generale de la terminologie et des concepts.
— Partie 2 : Exigences sur le materiel electronique et mecanique et tests de
controle des API et des equipements associes.
- Partie 3 : Langages de programmation. Cinq langages ont ete defmis : langage
a contacts (LD, Ladder Diagram), graphes de fonction sequentielle (SEC, Sequential Function Charts), diagrammes de schemas fonctionnels (FBD, Func tion Block Diagram), texte structure (ST, Structured Text) et listes d’instructions (IL, Instruction List).
1. Portee
2. References normatives
3. Termes et definitions
4. Modeles architecturaux
5. Conformite
6. Elements communs
7. Langages textuels (listes d’instructions et texte structure)
8. Langages graphiques (langage a contacts et diagrammes de schemas fonc
tionnels)
Annexe A : Specification formelle des elements du langage
Annexe В : Liste des modifications principals et des extensions de la troisieme edition.
— Partie 4 : Conseils de selection, d’installation et de maintenance des API.
— Partie 5 : Fonctions logicielles pour la communication avec d’autres appareils
selon la norme MMS {M anufacturing M essaging Specification).
- Partie 6 : Communications via les fonctions logicielles de bus de terrain.
- Partie 7 : Programmation par logique floue.
- Partie 8 : Conseils d’implementation des langages de programmation defmis a
la Partie 3.
La norme CEI 61131-6 traite des methodes de programmation des API. Les
origines du langage a contacts (voir Chapitre 5) se trouvent dans les schemas de cablage electrique pour les systemes de commande a relais, comme fillustre la Figure 1.4. II a favantage d’etre facile a comprendre par les personnes familieres des schemas electriques. II permet egalement au technicien de maintenance de reperer facilement les erreurs, car la plupart des appareils de programmation disposent d’un affichage anime qui represente I’etat des contacts sur les lignes. Le langage a contacts permet de developper des programmes relativement volumineux, mais il s’avere moins pratique lorsqu’il faut employer des sous-routines ou des blocs de programme. D’autre part, les programmes qui impliquent un grand nombre de sequences risquent d’etre difficiles a manipuler lorsque la commande d’une sequence est melangee a I’application. Si des operations arithmetiques simples sont realisables avec le langage a contacts, les calculs plus complexes se revelent plus difficiles a mettre en oeuvre. Malgre ses inconvenients, le langage a contacts est largement utilise car il est facile a employer et a comprendre. Les graphes de fonction sequentielle (voir Chapitre 6) ont le merite d’afficher tous les etats operationnels d’un systeme, tous les changements d’etat possibles et les conditions de ces changements. Ils conviennent mieux a I’afPichage des sequences que le langage a contacts. Les diagrammes de schemas fonctionnels (voir Chapitre 5) possedent les avantages d’un outil de programmation et facilitent I’emploi de blocs logiciels reutilisables, les portes logiques en etant un exemple. Le texte structure (voir Chapitre 6) est un langage de programmation tres proche du langage Pascal. Les listes d’instructions (voir Chapitre 6) ont une structure relativement simple et conviennent a I’ecriture de petits programmes constitues de quelques points de decision et au nombre reduit de changements dans leur flux d’execution. Elies ne facilitent pas la lecture du flux du programme.
La norme CEI 61131-5 concerne les comm unications dans les API (voir Figure 1.11) et s’interesse done aux outils d’echange de donnees et d’informations de controle entre les API interconnectes par un reseau. Elle stipule les informa tions d’etat que chaque sous-systeme doit fournir dans un format standard pour simplifier les communications.
1.5.2 Programmer les API
Une unite de programmation peut etre un appareil portatif, un terminal de bureau
ou un ordinateur. Apres que le programme a ete con<;u et teste sur I’unite de programmation, il est pret a etre transfere dans la memoire de I’API.
— Un appareil de program m ation p o rta tif generalement d’une quantite de
memoire suffisante pour conserver les programmes afin de les deplacer d’un endroit a un autre.
— Les terminaux de bureau sont generalement equipes d’un systeme d’affichage graphique, avec un clavier et un ecran.
— Les ordinateurs personnels sont souvent employes pour la programmation des API. L’utilisation d’un ordinateur presente plusieurs avantages : le programme peut etre stocke sur le disque dur ou sur un CD-ROM et les copies sont faciles a realiser. L’ordinateur est relie a ГАР1 par I’intermediaire d’un cable Ethernet, RS-232, RS-485 ou RS-422.
Les fabricants d’API proposent des outils de developpement pour leurs API. Par exemple, Mitsubishi fournit MELSOET. Sa suite logicielle iQ Works est consti-tuee de quatre outils MELSOET qui permettent une programmation intuitive et la configuration d’un systeme iQ Platform, notamment la configuration du systeme et du reseau, la programmation des gammes Q et EX, le parametrage d’un Q Motion Controller et de Servo, la conception d’une interface GOT 1000. Des simulateurs et des outils de configuration supplementaires completent le systeme de base et la programmation avec etiquettes a ete generalisee. MELSOFT Navi gator se trouve au coeur d’iQ Works et permet rintegration des autres programmes de MELSOFT fournis avec iQ Works. Des fonctionnalites comme la conception d’une configuration systeme, la definition de jeux de parametres, les libelles systeme et les lectures par lots aident a reduire les couts d’exploitation (TCO, Total Cost o f O wnership). MELSOFT GX Works 2 est I’outil de maintenance et de programmation des APE II est compatible avec tons les controleurs MELSEC, des API compacts de la serie MELSEC FX aux API modulaires, у compris le modele MELSEC System Q, et utilise un environnement de type Windows. II prend en charge les methodes de programmation IL, LD et SFC (voir Chapitre 4). Vous pouvez basculer entre IL et LD au cours du developpement. Vous pouvez egale-ment ecrire vos propres blocs fonctionnels et de nombreux utilitaires permettent de configurer des functions speciales. L’environnement de developpement comprend des functions de diagnostic et des editeurs puissants pour configurer les reseaux et le materiel MELSEC. Par ailleurs, des functions de tests et de surveillance facilitent la creation d’applications rapides et efficaces. Vous disposez meme d’une simulation hors ligne pour tous les types d’API. Cela permet de simuler les reponses des peripheriques et des applications en vue de tests reels.
A I’instar de Mitsubishi, Siemens propose son environnement de developpement nomme SIMATIC STEP 7. II est parfaitement conforme a la norme Internatio nale CEI 61131-3 pour les langages de programmation des API. Avec STEP 7, les programmeurs ont le choix entre differents langages de programmation. Outre LAD et FBD, STEP 7 Basis comprend egalement le langage IL. Des options supplementaires pour d’autres langages de la CEI 61131-3, comme ST avec SIMATIC S7-SCL ou SFC avec SIMATIC S7-Graph, constituent des solutions efficaces pour decrire graphiquement des systemes de commande sequentiels. L’environnement complet comprend des possibilites de diagnostic, des outils de diagnostic des processus, la simulation d’API, la maintenance a distance et la documentation des equipements. S7-PLCSIM est un complement de STEP 7 qui permet de simuler une plate-forme SIMATIC S7 et de tester un programme sur un PC. Vous pouvez ainsi evaluer et corriger le programme avant son installation sur le materiel physique. Grace aux tests precoces, la qualite globale d’un projet peut etre amelioree. L’installation et la mise en service sont alors plus rapides et moins couteuses, car les defauts du programme sont detectes et corriges tres tot au cours du developpement.
Rockwell Automation fournit RSLogix pour les API PLC-5 d’Allen-Bradley. Les logiciels de programmation par langage a contacts conformes a la norme CEI-1131 de la famille RSLogix™ disposent d’editeurs souples et conviviaux, d’une interface commune, d’outils de diagnostic et de depannage, ainsi que de fonction nalites puissantes qui permettent de gagner du temps. Cette famille de produits est con^ue pour fonctionner sur les systemes d’exploitation Windows de Microsoft. RSLogix™ 5 prend en charge la gamme d’automates programmables PLC-5 d’Allen-Bradley.
Quelles taches un systeme de com m ande p eu t-ilp ren d re en charge ? II peut etre charge de controler une sequence d’evenements, de maintenir constante une certaine variable ou de suivre un changement prevu. Par exemple, le systeme de commande d’une perceuse automatique (voir Figure 1.1a) peut demarrer la descente du foret lorsque la piece est en position, demarrer le per^age lorsque le foret arrive sur la piece, stopper le per^age lorsque la profondeur du trou souhaitee est atteinte, retirer le foret, arreter la perceuse, puis attendre que la piece suivante arrive en position avant de repeter le processus. Un autre systeme de commande (voir Figure 1.1b) pourrait etre utilise pour verifier le nombre d’articles convoyes par une bande transporteuse et les diriger vers une caisse. Les entrees de ces systemes de commande peuvent provenir d’interrupteurs, qui sont ouverts ou fermes. Par exemple, la presence de la piece peut etre signalee par son contact avec un interrupteur, qui se ferme, ou par d’autres capteurs, par exemple de temperature ou de debit. Le contro-leur peut etre charge de commander un moteur pour deplacer un objet vers un certain emplacement ou pour tourner une vanne, ou encore d’allum er ou d’eteindre un radiateur.
Quelles form es un systeme de com m ande peut~il prendre ? Pour la perceuse automa tique, il est possible de cabler des circuits electriques dans lesquels Fouverture ou la fermeture de Finterrupteur conduisent au demarrage de moteurs ou au declenche-ment de vannes. En consequence, les contacts d’un relais peuvent ainsi etre fermes ou ouverts (voir Figure 1.2), ce qui met un moteur sous tension et declenche la rotation du foret (voir Figure 1.3). Un autre interrupteur peut etre utilise pour activer un relais et mettre sous tension une vanne pneumatique ou hydraulique, qui met sous pression un verin afin de pousser la piece dans la position requise. De tels circuits electriques sont specifiques a la perceuse automatique. Pour controler le nombre d’articles places dans un carton, nous pouvons egalement concevoir des circuits electriques qui mettent en oeuvre des capteurs et des moteurs. Cependant, le circuit de chacun de ces systemes de commande sera different. Dans un systeme de commande « traditionnel », les regies de fonctionnement et les actions execu-tees sont determinees par le cablage. Lorsque les regies qui determinent les actions de commande sont modifiees, le cablage doit egalement etre revu.
1.1.1 Systemes de commande a relais
Les systemes de commande a relais sont des systemes cables. La Figure 1.2 illustre
les constituants d’un relais simple. Lorsqu’un courant traverse la bobine du relais, les contacts normalement fermes (NF) s’ouvrent et les contacts normalement ouverts (NO) se ferment. Ces contacts peuvent servir a commander un systeme. Prenons par exemple un relais utilise pour declencher une vanne pneumatique ou hydraulique, ce qui conduit a Fapplication d’une pression a un piston pour deplacer une piece. II est possible de representer ce fonctionnement par un schema de commande. La Figure 1.4 donne les symboles standard pour la representation des relais. Dans le schema de commande illustre a la Figure 1.5, les lignes verticales representent les sources d’alimentation tandis que les lignes horizontales relient les systemes entre eux. La sequence des evenements se lit en partant de la ligne horizontale superieure et en allant vers le bas. Ainsi, dans la ligne superieure de la Figure 1.5a, lorsque Finterrupteur Marche-arret est ferme, le relais est active. Cela declenche la fermeture des contacts representes sur la seconde ligne et, par consequent, Falimentation de Felectrovanne. Un schema plus classique est donne a la Figure 1.5b. Dans ce cas, le relais est active par un bouton-poussoir normale ment ouvert a appui momentane. Son action ferme deux jeux de contacts. Les contacts 1 memorisent I’appui sur le bouton-poussoir afin que son relachement ne coupe pas Falimentation du relais. Les contacts 2 alimentent Felectrovanne. Le relais et, par consequent, Falimentation de Felectrovanne, sont coupes lots de Fappui sur le bouton-poussoir normalement ferme. Ces schemas ne representent evidemment qu’une partie du systeme de commande car il faudrait d’autres lignes pour detecter le moment oil Felectrovanne a deplace la piece de la distance requise et pour stopper son fonctionnement.
La Figure 1.6 montre un autre exemple de systeme de commande a relais. Lorsque le bouton-poussoir Marche est ferme, la bobine du relais est alimentee et memorise I’actionnement du bouton aFin que le relais reste active jusqu’a Fappui sur le bouton Arret. Les contacts NO du relais se ferment et ses contacts NF s’ouvrent. La lampe verte s’allume, contrairement a la lampe rouge qui s’eteint. Suite a Fappui sur le bouton-poussoir Arret, le courant dans la bobine du relais est coupe. Les contacts NO s’ouvrent alors, tandis que les contacts NF se ferment; la lampe verte s’eteint et la lampe rouge s’allume. L’etape suivante du schema pourrait impliquer la mise en marche d’un moteur par les contacts NO. Dans ce cas, la lampe verte indiquerait que le moteur tourne et la lampe rouge qu’il est arrete.
1.1.2 Systemes de commande a microprocesseur
Au lieu de cabler un circuit de commande different pour chaque situation, une
approche permet d’employer le meme systeme de base dans tous les cas. Elle se fonde sur un systeme a base de microprocesseur et sur un programme qui explique a ce microprocesseur comment reagir aux signaux d’entree, par exemple issus d’interrupteurs, et comment produire les sorties requises, par exemple sur des moteurs ou des vannes. Ainsi, nous pourrions avoir un programme de la forme suivante :
Si 1 ’ interrupteur A se ferme
A ctiver la so rtie du c ir c u it du moteur
Si 1 ’ interrupteur В se ferme
A ctiver la so rtie du c ir c u it de la vanne
En modifiant les instructions du programme, nous pouvons conserver le meme systeme a microprocesseur pour commander une grande diversite de cas.
Prenons fexemple d’une machine a laver le linge moderne a base de microproces seur. Ses entrees proviennent des cadrans de selection du programme de lavage, d’un interrupteur qui indique la fermeture de la porte, d’un capteur qui determine la temperature de I’eau et d’un interrupteur qui detecte le niveau d’eau. Le programme du microprocesseur utilise ces entrees pour positionner les sorties de maniere a demarrer le moteur du tambour et controler sa vitesse, a ouvrir et a fermer les vannes d’eau chaude et d’eau froide, a mettre en marche la pompe de vidange, a commander la resistance de chauffage et a controler le verrou de la porte pour que la machine ne puisse pas etre ouverte avant la Pin du cycle.
1.1.3 Automates programmables industriels
Un autom ate program m able industriel (API) est une forme particuliere de contro-
leur a microprocesseur qui utilise une memoire programmable pour stocker les instructions et qui implemente differentes functions, qu’elles soient logiques, de sequencement, de temporisation, de comptage ou arithmetiques, pour commander les machines et les processus (voir Figure 1.7). II est con^u pour etre exploite par des ingenieurs, dont les connaissances en informatique et langages de programmation peuvent etre limitees. La creation et la modification des programmes de ГАР1 ne sont pas reservees aux seuls informaticiens. Les concepteurs de ГАР1 Pont preprogramme pour que la saisie du programme de commande puisse se faire a I’aide d’un langage simple et intuitif (voir Chapitre 4). La programmation de ГАР1 concerne principalement la mise en oeuvre d’operations logiques et de commuta tion, par exemple, s\ А оиЪ se produit, alors allumer C, ou s\ A et^ se produisent, alors allumer D. Les dispositifs d’entree, c’est-a-dire des capteurs, comme des interrupteurs, et les dispositifs de sortie, c’est-a-dire des moteurs, des vannes, etc., du systeme sont connectes a I’API. L’operateur saisit une sequence d’instructions, le programme, dans la memoire de I’API. L’automate surveille ensuite les entrees et les sorties conformement aux instructions du programme et met en oeuvre les regies de commande defmies.
Les API presentent un avantage majeur : le meme automate de base peut etre employe avec une grande diversite de systemes de commande. Pour modifier un systeme de commando et les regies appliquees, un operateur doit simplement saisir une suite d’instructions differente. On obtient ainsi un systeme flexible et econo-mique, utilisable avec des systemes de commando dont la nature et la complexite peuvent varier enormement. En comparaison des systemes a relais, les API :
- simplifient les modifications car elles sont mises en oeuvre de fa(;on logicielle et non pas par des solutions materielles plus complexes ;
- peuvent etre facilement etendus par I’ajout de nouveaux modules, alors que des changements materiels sont sinon requis ;
- sont plus robustes et plus fiables en raison d’un nombre de composants meca-niques moindre ;
- sont plus compacts ;
- exigent une maintenance moindre ;
- sont plus rapides.
Les API sont comparables aux ordinateurs. Toutefois, alors que les ordinateurs sont optimises pour les taches de calcul et d’affichage, les API le sont pour les taches de commando et les environnements industriels. Void ce qui differencie les API par rapport aux ordinateurs :
- Ils sont solides et con^us pour supporter les vibrations, les temperatures basses
ou elevees, Thumidite et le bruit. A contrario, les ordinateurs personnels ne sont pas faits pour operer dans des milieux hostiles.
- Les interfaces des entrees et des sorties sont integrees a I’automate. Les API au format modulaire peuvent etre facilement etendus pour recevoir un plus grand nombre d’entrees-sorties.
- Ils sont simples a programmer et leur langage de programmation d’apprentissage facile est principalement oriente sur les operations logiques et de commu tation. Ils sont par consequent plus conviviaux.
- Ils sont moins adaptes au stockage a long terme et a fanalyse des donnees.
- Ils sont d’une fiabilite superieure et moins sujets aux dysfonctionnements que
les ordinateurs personnels.
Les premiers API ont ete con^us en 1969 ; ils sont a present largement utilises. Ils
prennent la forme de petites unites autonomes pour environ vingt entrees-sorties numeriques ou de systemes modulaires qui peuvent etre employes pour des entrees-sorties tres nombreuses, analogiques ou numeriques, et qui disposent des modes de regulation PID (proportionnel, integral et derive). On les retrouve dans Pautomatisation des processus industriels, comme I’usinage, la manutention, I’assemblage automatique et le conditionnement. Cependant, dans le cas des taches d’automatisation tres simples, par exemple pour un lave-linge domestique, une autre solution moins couteuse sera probablement retenue. Lorsque les contraintes sont fortes, par exemple dans le cas du controle du vol d’un avion, un ordinateur aura la preference car il est capable d’effectuer des operations mathe-matiques complexes avec une vitesse de traitement elevee.
1.2 Materiel
De maniere generale, un API est structure autour de plusieurs elements de base que sont I’unite de traitement, la memoire, I’unite d’alimentation, les interfaces d’entrees-sorties, finterface de communication et le peripherique de programmation (voir Figure 1.8) :
Le processeur ou unite centrale de traitem ent (CPU, Central Processing Unit) contient le microprocesseur. Le CPU interprete les signaux d’entree et effectue les actions de commande conformement au programme stocke en memoire, en communiquant aux sorties les decisions sous forme de signaux d’action.
\1 unite d ’alim entation est indispensable puisqu’elle convertit une tension alter native en une basse tension continue (5 V) necessaire au processeur et aux modules d’entrees-sorties.
Le peripherique de program m ation est utilise pour entrer le programme dans la memoire du processeur. Ce programme est developpe sur le peripherique, puis transfere dans la memoire de Г API.
La m em oire contient le programme qui defmit les actions de commande effec-tuees par le microprocesseur. Elle contient egalement les donnees qui provien-nent des entrees en vue de leur traitement, ainsi que celles des sorties.
Les interfaces d'entreeS'Sorties permettent au processeur de recevoir et d’envoyer des informations aux dispositifs exterieurs. Les entrees peuvent etre des interrupteurs, comme dans le cas de la perceuse automatique (voir Figure 1.1a), ou d’autres capteurs, comme des cellules photoelectriques dans le cas du meca-nisme de comptage (voir Figure 1.1b), des sondes de temperature, des debit-metres, etc. Les sorties peuvent etre des bobines de moteur, des electrovannes, etc. Nous reviendrons sur les interfaces d’entrees-sorties au Chapitre 2. Les dispositifs d’entrees-sorties peuvent etre classes en trois categories, selon qu’ils produisent des signaux discrets, numeriques ou analogiques (voir Figure 1.9). Les dispositifs qui generent des signaux discrets ou num eriques sont ceux dont les sorties sont de type tout ou rien. Par consequent, un interrupteur est un dispositif qui produit un signal discret : presence ou absence de tension. Les dispositifs num eriques peuvent etre vus comme des dispositifs discrets qui produisent une suite de signaux tout ou rien. Les dispositifs analogiques creent des signaux dont I’amplitude est proportionnelle a la grandeur de la variable surveillee. Par exemple, un capteur de temperature peut produire une tension proportionnelle a la temperature.
interface de com m unication est utilisee pour recevoir et transmettre des donnees sur des reseaux de communication qui relient ГАР1 a d’autres API distants (voir Figure 1.10). File est impliquee dans des operations telles que la verification d’un peripherique, I’acquisition de donnees, la synchronisation entres des applications et la gestion de la connexion.
1.3 Architecture d'un API
Un API est generalement constitue d’une unite centrale de traitement (CPU, C entral P rocessing Unit) qui comprend le microprocesseur, la memoire et les entrees-sorties du systeme. II peut en realite etre vu comme une entite composee d’un grand nombre de relais, compteurs, temporisateurs et unites de stockage de donnees, meme si ces elements n’existent pas physiquement dans ГАР1 et sont simules de fa<;on logicielle.
La capacite de stockage d’une unite de memoire est determinee par le nombre de mots quelle peut enregistrer. Si la taille d’une memoire est de 256 mots, elle peut Stocker 256 X 8 = 2 048 bits, pour des mots de huit bits, et 256 X 16 = 4 096 bits, pour des mots de seize bits. Le terme octet {byte) est utilise pour designer un mot de huit bits. La taille de la memoire est souvent indiquee en fonction du nombre d’emplacements disponibles. 1 К represente le nombre 2^^, c’est-a-dire 1 024. Une memoire de 4 К octets peut done enregistrer 4 096 octets, et une memoire de 50 К octets en stockera 51 200.
1.3.1 Unite d'entrees-sorties
L’unite d’entrees-sorties (E/S) d’un API apporte le circuit d’interface entre le
systeme et le monde exterieur. Au travers de canaux d’entrees-sorties, elle permet d’etablir des connexions avec des dispositifs d’entree, comme des capteurs, et des dispositifs de sortie, comme des moteurs et des solenoi'des. C’est egalement par I’intermediaire de cette unite que se fait la saisie des programmes depuis un terminal. Chaque point d’entree-sortie dispose d’une adresse unique, que le CPU peut utiliser. Le principe est comparable a une rangee de maisons le long d’une rue ; le numero 10 peut correspondre a la « maison » pour I’entree d’un capteur particulier, tandis que le numero 45 peut correspondre a la « maison » utilise pour la sortie vers un moteur specifique.
Puisque les canaux d’entrees-sorties mettent en place les fonctions d’isolation et de traitement des signaux, il est possible de connecter directement des capteurs et des actionneurs aux canaux, sans passer par un autre circuit d’interface (voir Figure 1.11). L’isolation electrique avec le monde exterieur est generalement realisee par des photocoupleurs (egalement appeles optocoupleurs), dont le principe est illustre a la Figure 1.12. Lorsque la diode electroluminescente (LED, Light E mitting Diode) est traversee par une impulsion numerique, elle produit un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement est detecte par le phototransistor, qui fait naitre une tension dans son circuit. L’espace qui separe la LED et le phototran sistor cree une isolation electrique, mais une impulsion numerique dans le premier circuit permet neanmoins de produire une impulsion numerique dans le second circuit.
Le traitement du signal realise au niveau du canal d’entree, avec I’isolation, permet de manipuler une grande diversite de signaux d’entree. II est converti en une tension compatible avec celle requise par le microprocesseur qui equipe ГАР1 (voir Chapitre 3). Un API elabore peut ainsi acceder a des entrees dont les signaux numeriques/discrets (c’est-a-dire tout ou rien) utilisent des tensions de 5 V, 24 V, 110 V et 240 V. Un API de base sera generalement en mesure d’utiliser une seule forme d’entree, par exemple des signaux 24 V.
Les canaux de sortie permettent d’obtenir les sorties de ГАР1 sous une forme adaptee a un connexion directe avec des circuits externes. Les sorties sont de type relais, transistor ou triac (voir Chapitre 3 pour plus de details) :
— Avec le type relais, le signal issu d’une sortie de ГАР1 est utilise pour declencher un relais et pent activer des courants de quelques amperes dans le circuit externe. Grace au relais, non seulement des courants faibles peuvent commuter des courants forts, mais Tisolation entre ГАР1 et le circuit externe est egalement assuree. En revanche, les relais sont relativement lents. Les sorties a relais sont adaptees a la commutation de courants alternatifs et continus. Ils peuvent supporter des surtensions transitoires et des courants de choc eleves.
— Avec le type transistor, la sortie se fonde sur un transistor pour commuter le courant dans le circuit externe. Loperation de commutation est done extreme-ment rapide. Toutefois, les sorties de ce type sont adaptees uniquement a la commutation d’un courant continu et sont detruites par les surintensites et les tensions inverses elevees. Pour leur protection, il faut utiliser un fusible ou un systeme electronique. Les photocoupleurs sont employes a des fins d’isolation.
- Avec le type triac, et des photocoupleurs pour risolation, les sorties peuvent servir a controler les charges externes connectees a une alimentation en courant alternatif. Elies prennent en charge uniquement les courants alternatifs et sont tres facilement detruites par les surintensites. De maniere generale, les sorties de ce type sont toujours protegees par des fusibles.
Ainsi, apres le traitement du signal par des relais, des transistors ou des triacs, le canal de sortie est capable de fournir un signal 24 V et 100 mA, une tension continue de 110 V et 1 A, ou 240 V, une tension alternative de 240 V et 1 A ou 2 A. Dans le cas d’un petit API, toutes les sorties seront d’un meme type, par exemple 240 V alternatif et 1 A. En revanche, avec des API modulaires, il est possible de proposer un eventail de sorties en panachant les modules connectes.
1.3.2 Fourniture et absorption de courant
Les termes fou rn itu re {sourcing} et absorption {sinking) decrivent la maniere dont les appareils a courant continu sont connectes a un API. Dans le cas de la fourni ture, en supposant le sens conventionnel du courant du plus vers le moins, un dispositif d’entree revolt le courant a partir du module d’entree. Autrement dit, le module d’entree est une source de courant et le fournit au dispositif d’entree (voir Figure 1.13a). Dans le cas de I’absorption, un dispositif d’entree fournit le courant au module d’entree. Autrement dit, le module d’entree revolt et absorbe le courant (voir Figure 1.13b). Si le courant va du module de sortie vers une charge de sortie, le module de sortie fournit le courant (voir Figure l.l4 a ). En revanche, si le courant va de la charge de sortie vers le module de sortie, celui-ci absorbe le courant (voir Figure 1.14b).
II est important de connaitre le type de la sortie ou de I’entree afin quelle soit branchee correctement a ГАР1. Ainsi, les capteurs avec sorties a fourniture de courant doivent etre connectes aux entrees a absorption de courant de ГАР1, tandis que les capteurs avec sorties a absorption de courant doivent etre connectes aux entrees a fourniture de courant. Si ces directives ne sont pas suivies, finterface avec ГАР1 ne fonctionnera pas et risque d’etre endommagee.
1.4 Systemes API
Les systemes API sont principalement disponibles sous deux formes : en boitier unique et en version modulaire/rack. Le modele en boitier unique, ou cojjret, est souvent utilise pour les petits automates programmables et correspond a un systeme compact complet equipe des unites d’alimentation, de processeur, de memoire et d’entrees-sorties. Ces API peuvent disposer de six, huit, douze ou vingt-quatre entrees, de quatre, huit ou seize sorties et d’une memoire permettant d’enregistrer entre 300 et 1 000 instructions. Par exemple, ГАР1 compact TAR 116-6S de Toshiba dispose de huit entrees 120 V a courant alternatif, six sorties a relais et deux sorties a triax, alors que le modele TDR140-6S plus important possede 24 entrees 24 V a courant continu, 14 sorties a relais et deux sorties a triac. Certains systemes compacts peuvent etre etendus afin d’offrir un plus grand nombre d’entrees et de sorties, simplement en connectant des modules d’extension. La Figure 1.15 presente ГАР1 compact CPIL d’Omron pour la commande de machines. Pour ce modele precis, quatre tailles de processeur sont disponibles, chacune avec la possibilite de choisir entre des sorties a relais ou a transistor. La tension, la sortie et le nombre de points d’E/S peuvent etre selectionnes afin de repondre aux besoins. Le boitier de base, selon le modele choisi, dispose de 10, 14, 20 ou 30 entrees-sorties (E/S). La version a 10 E/S offre six entrees numeriques et quatre sorties, la version a 14 E/S dispose de huit entrees numeriques et six sorties, la version a 20 E/S propose douze entrees numeriques et huit sorties, tandis que la version a 30 E/S offre dix-huit entrees numeriques et douze sorties. II est possible d’opter pour des sorties a relais, a transistor absorbeur de courant ou a transistor fournisseur de courant. Les modeles a 14, 20 et 30 E/S peuvent etre etendus afin d’offrir un plus grand nombre d’entrees-sorties. Par exemple, I’extension du modele 14 E/S permet d’obtenir 54 entrees-sorties.
La Figure 1.16 presente ГАР1 compact FX3U de Mitsubishi. Les tableaux 1.1 et 1.2 detaillent les moddes de cette gamme de Mitsubishi.
Les systemes qui offrent un plus grand nombre d’entrees et de sorties ont toutes les chances d’etre m odulaires et con^us pour s’integrer dans des racks (voir Figure 1.17). Un systeme modulaire est constitue de modules separes pour I’alimentation, le processeur, etc., souvent montes sur des rails dans une armoire metallique. Ce type de systeme pent etre employe pour toutes les tailles d’automates programmables et les differentes unites fonctionnelles sont fournies sous forme de modules individuels qui se branchent a des prises sur un rack de base. Le choix des modules necessaires a la realisation d’un projet precis est decide par
I’utilisateur et ces modules sont ensuite branches dans le rack. II est ainsi plus facile d’etendre le nombre d’entrees-sorties ou la quantite de memoire. Pour cela, il suffit simplement d’ajouter des modules d’entrees-sorties ou des unites de memoire supplementaires. L’alimentation et les interfaces de donnees des modules dans le rack sont fournies par les conducteurs en cuivre sur le fond de panier. Lorsque les modules sont glisses dans le rack, ils s’inserent dans des connecteurs du fond de panier.
Le modele Allen-Bradley PLC-5 de Rockwell Automation est un exemple de systeme modulaire. II comprend au moins une alimentation, un module de commande programmable et des modules d’entrees-sorties. Plusieurs chassis sont disponibles pour la connexion des modules :
— Chassis. Certains chassis d’entrees-sorties 1771 sont con^us pour un montage en fond de panier, tandis que d’autres le sont pour un montage en rack et dans des tallies acceptant quatre, huit, douze ou seize modules d’entrees-sorties.
— M odules de com m ande. Les processeurs PLC-5 sont disponibles dans plusieurs variantes en termes de capacite d’entrees-sorties et de memoire. Par exemple, le PLC-5/11 propose au maximum 512 entrees-sorties et une memoire allant jusqu’a 8 000 mots (voir le Chapitre 3 pour une explication du terme « mot »), tandis que le PLC-5/20 dispose d’au plus 512 E/S et d’une memoire de 16 000 mots. Ils peuvent etre configures pour differents reseaux de communication, comme le PLC-5/20C qui est compatible avec ControlNet et le PLC-5/20E qui utilise Ethernet. II s’agit de modules mono-slot qui se placent dans I’empla-cement de gauche d’un chassis d’entrees-sorties 1771.
— M odules d ’entrees-sorties. Les modules d’entrees-sorties 1771 existent en versions huit, seize ou trente-deux entrees-sorties par module, pour un interfa-^age avec des capteurs a courant alternatif ou continu et des actionneurs. Les modules d’entrees-sorties numeriques s’interfacent avec des capteurs tout ou rien, comme des boutons-poussoirs et des interrupteurs de Pm de course, et avec des actionneurs tout ou rien, comme des moteurs, des lampes temoin et des avertisseurs. Les modules d’entrees-sorties analogiques realisent les conver sions A/N et N/A, avec une resolution allant jusqu’a seize bits. Les entrees-sorties analogiques peuvent etre configurees par I’utilisateur dans I’etat defaut-reponse souhaite en cas de dysfonctionnement des communications. Cette caracteristique permet d’obtenir une reaction/reponse fiable en cas de panne, limite I’etendue des defauts et apporte une reponse previsible aux defauts. Les modules d’entrees-sorties 1771 sont equipes d’un couplage optique et d’un circuit de filtrage pour la reduction du bruit. Les modules d’entrees-sorties numeriques sont compatibles avec des courants alternatifs ou continus de 5 a 276 V. Par ailleurs, les modules de sorties a relais sont disponibles dans les plages 0 a 276 V CA et 0 a 175 V CC. Toute une gamme de niveaux de signaux analogiques peut etre pris en charge, у compris les entrees et les sorties analogiques standard, de meme que les entrees directes pour la mesure de temperature par thermocouple ou resistance. Le module d’entrees numeriques 1771-lB propose ainsi huit entrees avec des tensions comprises dans la plage 10 a 27 V, le 1771-OVN avec 32 entrees numeriques et des niveaux de tension situes entre 10 et 30 V, le module d’entrees analogiques 1771-NIV pour huit entrees en ±5 V et ±20 mA en courant continu, ainsi que le module de sortie analogique 1771-OFE2 pour quatre sorties dans la plage 4 a 20 mA. Un processeur PLC-5 peut communiquer avec les entrees-sorties par une liaison DeviceNet ou Universal Remote I/O.
— M odules de com m unication. Des modules de communication peuvent etre utilises pour augmenter le nombre de ports de communication du processeur PLC-5 et aller au-dela de ceux fournis par un module de commande.
1.4.1 Securite
Puisque les API peuvent etre connectes a des reseaux et qu’ils sont equipes de
systemes d’exploitation temps reel, la question de la securite se pose naturellement. En effet, ces reseaux peuvent etre pirates et des informations peuvent alors tomber dans des mains non autorisees ou des virus peuvent etre implantes. II est egalement possible que des API soient attaques lorsqu’un ordinateur avec lequel ils communiquent a lui-meme ete pirate.
1.5 Programmes
Les programmes utilises avec les API peuvent etre ecrits dans differents formats. Pour que les ingenieurs ayant peu de connaissances en programmation puissent elaborer des programmes pour les API, le langage a contacts a ete con^u. La plupart des fabricants d’automates ont adopte cette methode d’ecriture des programmes. Toutefois, puisque chacun a eu tendance a developper ses propres versions, une norme internationale a ete etablie pour le langage a contacts et, par voie de conse quence, pour routes les methodes de programmation employees avec les API. Cette norme, publiee en 1993 par la Commission electrotechnique internationale, est designee sous la reference CEI 61131-3. La derniere version, qui date de 2013, est une extension qui reste compatible avec la version anterieure.
Les langages de programmation defmis par la norme CEI 61131-3 sont le langage a contacts (LAD, Ladder Diagram)^ les listes d’instructions (IL, Instruction List), les graphes de fonction sequentielle (SLC, Sequential Function Charts), le texte structure (ST, Structured Text) et les diagrammes de schemas fonctionnels (FBD, F unction Block D iagram). La norme comprend une bibliotheque de functions preprogrammees et des blocs fonctionnels. On nomme fonction un calcul prepro gramme, par exemple pour donner la valeur moyenne de deux entrees. Un bloc fonctionnel evalue ses entrees et produit une valeur en sortie, par exemple un bloc de comptage qui compte les impulsions sur ses entrees et genere en sortie un signal lorsque le compteur a atteint une valeur precisee. II s’agit de parties d’un programme de commande qui sont assemblees afin d’etre utilisees en differents endroits du meme programme ou dans differents programmes. La norme CEI donne une definition formelle de chaque parametre d’entree et de sortie afm que des blocs fonctionnels con^us par differents programmeurs puissent etre facilement interconnectes. N’importe quel API conforme a la norme CEI prend en charge ces fonctions sous forme d’une bibliotheque, le code etant ecrit dans la partie PROM d’une memoire flash de I’appareil.
Parmi ces langages, deux sont textuels, le texte structure et les listes d’instruction, et seront saisis sur I’appareil de programmation a partir d’un clavier, une ligne a la fois. Les autres, le langage a contacts, les graphes de fonction sequentielle et les diagrammes de schemas fonctionnels, sont graphiques et un programme peut done etre developpe a partir d’elements graphiques sur Гёсгап de I’appareil de programmation.
1.5.1 La norme CEI 61131
La norme CEI 61131 couvre Tintegralite du cycle de vie des automates program
mables industriels :
— Partie 1 : Definition generale de la terminologie et des concepts.
— Partie 2 : Exigences sur le materiel electronique et mecanique et tests de
controle des API et des equipements associes.
- Partie 3 : Langages de programmation. Cinq langages ont ete defmis : langage
a contacts (LD, Ladder Diagram), graphes de fonction sequentielle (SEC, Sequential Function Charts), diagrammes de schemas fonctionnels (FBD, Func tion Block Diagram), texte structure (ST, Structured Text) et listes d’instructions (IL, Instruction List).
1. Portee
2. References normatives
3. Termes et definitions
4. Modeles architecturaux
5. Conformite
6. Elements communs
7. Langages textuels (listes d’instructions et texte structure)
8. Langages graphiques (langage a contacts et diagrammes de schemas fonc
tionnels)
Annexe A : Specification formelle des elements du langage
Annexe В : Liste des modifications principals et des extensions de la troisieme edition.
— Partie 4 : Conseils de selection, d’installation et de maintenance des API.
— Partie 5 : Fonctions logicielles pour la communication avec d’autres appareils
selon la norme MMS {M anufacturing M essaging Specification).
- Partie 6 : Communications via les fonctions logicielles de bus de terrain.
- Partie 7 : Programmation par logique floue.
- Partie 8 : Conseils d’implementation des langages de programmation defmis a
la Partie 3.
La norme CEI 61131-6 traite des methodes de programmation des API. Les
origines du langage a contacts (voir Chapitre 5) se trouvent dans les schemas de cablage electrique pour les systemes de commande a relais, comme fillustre la Figure 1.4. II a favantage d’etre facile a comprendre par les personnes familieres des schemas electriques. II permet egalement au technicien de maintenance de reperer facilement les erreurs, car la plupart des appareils de programmation disposent d’un affichage anime qui represente I’etat des contacts sur les lignes. Le langage a contacts permet de developper des programmes relativement volumineux, mais il s’avere moins pratique lorsqu’il faut employer des sous-routines ou des blocs de programme. D’autre part, les programmes qui impliquent un grand nombre de sequences risquent d’etre difficiles a manipuler lorsque la commande d’une sequence est melangee a I’application. Si des operations arithmetiques simples sont realisables avec le langage a contacts, les calculs plus complexes se revelent plus difficiles a mettre en oeuvre. Malgre ses inconvenients, le langage a contacts est largement utilise car il est facile a employer et a comprendre. Les graphes de fonction sequentielle (voir Chapitre 6) ont le merite d’afficher tous les etats operationnels d’un systeme, tous les changements d’etat possibles et les conditions de ces changements. Ils conviennent mieux a I’afPichage des sequences que le langage a contacts. Les diagrammes de schemas fonctionnels (voir Chapitre 5) possedent les avantages d’un outil de programmation et facilitent I’emploi de blocs logiciels reutilisables, les portes logiques en etant un exemple. Le texte structure (voir Chapitre 6) est un langage de programmation tres proche du langage Pascal. Les listes d’instructions (voir Chapitre 6) ont une structure relativement simple et conviennent a I’ecriture de petits programmes constitues de quelques points de decision et au nombre reduit de changements dans leur flux d’execution. Elies ne facilitent pas la lecture du flux du programme.
La norme CEI 61131-5 concerne les comm unications dans les API (voir Figure 1.11) et s’interesse done aux outils d’echange de donnees et d’informations de controle entre les API interconnectes par un reseau. Elle stipule les informa tions d’etat que chaque sous-systeme doit fournir dans un format standard pour simplifier les communications.
1.5.2 Programmer les API
Une unite de programmation peut etre un appareil portatif, un terminal de bureau
ou un ordinateur. Apres que le programme a ete con<;u et teste sur I’unite de programmation, il est pret a etre transfere dans la memoire de I’API.
— Un appareil de program m ation p o rta tif generalement d’une quantite de
memoire suffisante pour conserver les programmes afin de les deplacer d’un endroit a un autre.
— Les terminaux de bureau sont generalement equipes d’un systeme d’affichage graphique, avec un clavier et un ecran.
— Les ordinateurs personnels sont souvent employes pour la programmation des API. L’utilisation d’un ordinateur presente plusieurs avantages : le programme peut etre stocke sur le disque dur ou sur un CD-ROM et les copies sont faciles a realiser. L’ordinateur est relie a ГАР1 par I’intermediaire d’un cable Ethernet, RS-232, RS-485 ou RS-422.
Les fabricants d’API proposent des outils de developpement pour leurs API. Par exemple, Mitsubishi fournit MELSOET. Sa suite logicielle iQ Works est consti-tuee de quatre outils MELSOET qui permettent une programmation intuitive et la configuration d’un systeme iQ Platform, notamment la configuration du systeme et du reseau, la programmation des gammes Q et EX, le parametrage d’un Q Motion Controller et de Servo, la conception d’une interface GOT 1000. Des simulateurs et des outils de configuration supplementaires completent le systeme de base et la programmation avec etiquettes a ete generalisee. MELSOFT Navi gator se trouve au coeur d’iQ Works et permet rintegration des autres programmes de MELSOFT fournis avec iQ Works. Des fonctionnalites comme la conception d’une configuration systeme, la definition de jeux de parametres, les libelles systeme et les lectures par lots aident a reduire les couts d’exploitation (TCO, Total Cost o f O wnership). MELSOFT GX Works 2 est I’outil de maintenance et de programmation des APE II est compatible avec tons les controleurs MELSEC, des API compacts de la serie MELSEC FX aux API modulaires, у compris le modele MELSEC System Q, et utilise un environnement de type Windows. II prend en charge les methodes de programmation IL, LD et SFC (voir Chapitre 4). Vous pouvez basculer entre IL et LD au cours du developpement. Vous pouvez egale-ment ecrire vos propres blocs fonctionnels et de nombreux utilitaires permettent de configurer des functions speciales. L’environnement de developpement comprend des functions de diagnostic et des editeurs puissants pour configurer les reseaux et le materiel MELSEC. Par ailleurs, des functions de tests et de surveillance facilitent la creation d’applications rapides et efficaces. Vous disposez meme d’une simulation hors ligne pour tous les types d’API. Cela permet de simuler les reponses des peripheriques et des applications en vue de tests reels.
A I’instar de Mitsubishi, Siemens propose son environnement de developpement nomme SIMATIC STEP 7. II est parfaitement conforme a la norme Internatio nale CEI 61131-3 pour les langages de programmation des API. Avec STEP 7, les programmeurs ont le choix entre differents langages de programmation. Outre LAD et FBD, STEP 7 Basis comprend egalement le langage IL. Des options supplementaires pour d’autres langages de la CEI 61131-3, comme ST avec SIMATIC S7-SCL ou SFC avec SIMATIC S7-Graph, constituent des solutions efficaces pour decrire graphiquement des systemes de commande sequentiels. L’environnement complet comprend des possibilites de diagnostic, des outils de diagnostic des processus, la simulation d’API, la maintenance a distance et la documentation des equipements. S7-PLCSIM est un complement de STEP 7 qui permet de simuler une plate-forme SIMATIC S7 et de tester un programme sur un PC. Vous pouvez ainsi evaluer et corriger le programme avant son installation sur le materiel physique. Grace aux tests precoces, la qualite globale d’un projet peut etre amelioree. L’installation et la mise en service sont alors plus rapides et moins couteuses, car les defauts du programme sont detectes et corriges tres tot au cours du developpement.
Rockwell Automation fournit RSLogix pour les API PLC-5 d’Allen-Bradley. Les logiciels de programmation par langage a contacts conformes a la norme CEI-1131 de la famille RSLogix™ disposent d’editeurs souples et conviviaux, d’une interface commune, d’outils de diagnostic et de depannage, ainsi que de fonction nalites puissantes qui permettent de gagner du temps. Cette famille de produits est con^ue pour fonctionner sur les systemes d’exploitation Windows de Microsoft. RSLogix™ 5 prend en charge la gamme d’automates programmables PLC-5 d’Allen-Bradley.
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