Introduction aux A.P.I

AZAIEZ Houssam

Cet article vous permettra de faire vos premiers pas dans le domaine de l'automatisme. Il est destiné aux débutants et à ceux qui cherchent à obtenir quelques notions.

- Titre : Introduction aux A.P.I

- Auteur : AZAIEZ Houssam

- Parution : 13 septembre 2007

- Mise à jour : 13 septembre 2007

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Sommaire

- I. Introduction générale

- I-A. Objectif de l'article

- I-B. Pré-requis

- II. Introduction aux A.P.I

- II-A. Un automate, c'est quoi ?

- II-B. Principe de fonctionnement

- II-C. Constitution

- II-D. Quelques détails matériels

- II-E. Le cas réel

- II-F. Les entrées-sorties

- II-G. Les modules de comptage et la temporisation

- II-H. Les entrées à seuil ajustable

- III. Remerciements

I - Introduction générale

I-A - Objectif de l'article

Cet article est une introduction à bien lire avant d'entamer les autres articles qui suivent (ou qui suivront), pour avoir les notions de base et le vocabulaire qui seront nécessaires ensuite à la compréhension de différents langages et cycles de fonctionnement complexes assistés par automates.

Un minimum de connaissances en électronique est très souhaitable pour débuter dans ce domaine d'automatisation. On va précéder par une petite introduction du matériel et des différents éléments "Hard" constituant l'API en générale.

I-B - Pré-requis

Les prochains tutoriaux d'automation vont traiter des langages automates et de la configuration du matériel ainsi que l'installation et le paramétrage de quelques outils de programmation d'API.

II - Introduction aux A.P.I

II-A - Un automate, c'est quoi ?

L'automate programmable industriel (API), ou en anglais Programmable Logic Controller (PLC), est une machine électronique programmable destinée à piloter dans une ambiance industrielle et en temps réel des procédés logiques séquentiels. Autrement dit, un utilisateur (censé être un automaticien) l'utilise pour le contrôle et essentiellement la commande d'un procédé industriel en assurant l'adaptation nécessaire entre tout ce qui est de grande puissance par rapport à ce qui est de faible puissance côté commande. Son objectif principal est de rendre tout le mécanisme de type "laisser-faire-seul" : le système contrôle ses sorties, décide et agit sur ses entrées afin de maintenir le fonctionnement comme prévu par l'utilisateur. C'est le principe de l'automatisme.

II-B - Principe de fonctionnement

L'automate programmable fonctionne par déroulement cyclique du programme. Le cycle comporte trois opérations successives qui se répètent normalement comme suit :

La lecture : la scrutation des entrées binaires pour transférer leurs états dans la zone image des entrées.

Le traitement : le processeur exécute les instructions de la mémoire programme en fonction des informations de la mémoire des données. Cette exécution se traduit par la modification de certaines variables et leur mise à jour dans la zone correspondante.

La commande : les images des sorties dans la mémoire des données sont transférées dans le module de sortie pour être converti en signaux électriques pour la commande des préactionneurs et des dispositifs de visualisation. Ces valeurs sont verrouillées jusqu'au cycle prochain.

Ce cycle se répète infiniment tant qu'il n'y a pas d'interruption interne ou externe qui engendre l'arrêt temporaire ou permanent de l'automate. A chaque cycle seul, l'automate fait une mise à jour de ses données en entrée, garde cet état des entrées et passe à la phase de traitement. Cette dernière phase nécessite un temps prédéfini pour qu'elle se termine, dépendant de la fréquence du processeur et de la technologie interne et de la nature du traitement aussi.

Une fois terminée, on est dans la troisième et finale phase de sortie, où l'automate mets à jour ses signaux de sortie dépendant des résultats obtenus lors du traitement des entrées. Ces sorties restent figées jusqu'au prochain cycle.

Chaque fois que l'on minimise le temps d'un cycle, on améliore l'efficacité de notre automate. Malheureusement, le constructeur joue le rôle principal dans ce cas puisqu'il fixe la fréquence interne en se référant au processeur qu'il a utilisé. Mais l'utilisateur peut minimiser ce temps écoulé en améliorant le coût de son algorithme.

Par exemple, le temps d'un cycle pour une TSX de faible gamme est de l'ordre de 40ms. Et son temps de conversion par une voie peut atteindre 15ms.

II-C - Constitution

II-D - Quelques détails matériels

- Unité centrale : constituée du processeur (cœur de l'automate) et de la mémoire centrale.

- Mémoire centrale : elle contient le programme moniteur, le programme utilisateur et les données. Le programme moniteur est un logiciel de base gérant le fonctionnement de la machine et fourni par le constructeur.

Le programme utilisateur contient les instructions du programme à exécuter. Les données sont réparties sur trois catégories :

- Variables images des entrées.

- Variables images des sorties.

- Variables internes : compteurs, temporisateurs, bits internes, etc.

- Module d'entrée : il transforme les signaux provenant des capteurs et des ordres de l'opérateur en signaux compréhensibles par l'automate. Le processeur stocke ensuite ces informations dans la mémoire de données image des entrées afin de les mémoriser.

- Module de sortie : il transmet aux préactionneurs et aux dispositifs de dialogue les ordres de commande et de signalisation résultants de l'exécution du programme.
Le processeur vient chercher ses ordres dans la mémoire de données image des sorties, et les transferent en module de sortie qui seront transformés en signaux électriques par la suite.

- Module de communication : sert pour le dialogue entre l'automate et un autre équipement (automate, PC, …etc.). L'exemple de : ModBus, ModBus Plus, Profibus, InterBus, DeviceNet, LonWorks, Ethernet, FIPIO, FIPWAY, RS232, RS-485, AS-i, CANopen.

II-E - Le cas réel

II-F - Les entrées-sorties

Il existe deux sortes de signaux E/S :

>> Les E/S TOR : le mot TOR vient de "Tout Ou Rien" qui représente les signaux logiques. Les dispositifs d'entrée binaire réalisent, outre l'acquisition de l'information, les opérations suivantes :

- Mise en forme du signal (calibrage)

- Filtrage (élimination des parasites)

- Isolation (galvanique ou par lumière)

>> Les E/S analogiques : Les entrées analogiques transforment une grandeur analogique variant d'une façon continue en un code numérique, généralement sur 11 bits plus un bit de signe. Ces entrées disposent d'un seul convertisseur A/N (CAN), elles sont scrutées les unes à la suite des autres par un multiplexeur (MUX). Par contre, les sorties analogiques disposent d'un seul convertisseur par voie.

Les E/S analogiques sont caractérisées par l'amplitude du signal (VH et VL), par la vitesse de conversion et par la grandeur électrique (courant ou tension).
Il existe, au niveau des entrées, trois types d'entrées analogiques :

- Haut niveau : 0-10V, 0-20mA, 4-20mA

- Pour thermocouple : 0-20mV, 0-50mV, 0-100mV

- Pour sondes Pt100 : 0-100mV, 0-250mV, 0-400mV

De même, les sorties analogiques peuvent être différenciées selon ces intervalles :

0-10V, 0-5V, ±10V, ±5V, 0-20mA, 4-20mA.

La conversion des signaux analogiques :

Ce module comporte quatre voies et un seul convertisseur Analogique Numérique. Chaque voie est traitée seule grâce au multiplexeur associé. Le temps de conversion par voie dépend du convertisseur et donc de l'automate. Dans l'exemple de l'automate TSX 17-20, ce temps atteint 15ms ; donc le temps de conversion total est de : 4 * 15 = 60ms.

Pour bien évaluer la performance d'un automate en se basant sur sa rapidité critique, on est appelé à calculer son temps de conversion effectif comme suit :

AN : on a, pour le TSX 17-20, Tcycle = 40ms et Tconv.total = 60ms alors :

Tconv.effect = 40 * (1 + partie entière (60 / 40)) = 2 * 40 = 80ms.

II-G - Les modules de comptage et la temporisation

Les fonctions de comptage et de temporisation peuvent être réalisées par l'unité centrale de l'automate sous forme de programme. Mais, avant l'apparition des processeurs "rapides" actuels, elles étaient souvent implantées sur des cartes électroniques appelées "modules".

Le comptage matériel s'impose lorsque la vitesse d'acquisition est très élevée. Un module de comptage comporte un compteur/décompteur dont le contenu est incrémenté ou décrémenté par des impulsions en provenance de l'extérieur.

Un registre auxiliaire de pré-assignation sur lequel il est possible de fixer la limite du comptage par programme ou par un bouton externe.

La temporisation matérielle est assurée à partir d'impulsions fournies par une horloge à quartz (base de temps "TB"). Il s'agit d'un compteur d'impulsion de délai de temporisation et réglable par potentiomètre.
Un temporisateur permet essentiellement la commande avec retard des actions spécifiques.

Le choix de temporisateur s'effectue aussi par logiciel à l'aide d'une console ou d'un ordinateur. La manière dont on réalise le choix dépend de la marque de l'automate, donc chaque constructeur défini sa propre méthode.

Par exemple, si on pose TBi le temps de base d'un timer "i", alors pour un automate :

- Télémécanique : On peut varier TBi, et la période de ce timer sera définie comme suite : T = TBi * TPi ; où TPi est une valeur à saisir par l'utilisateur.

- OMRON : dans ce cas, TBi est toujours fixe de valeur 0,1 seconde. Et on ne peut changer que la valeur de TPi. La période sera calculée comme décrit précédemment.

- Siemens : la base TBi est figée aussi, mais chaque groupe de timer a sa propre valeur fixe de TB. Et de la même manière on calcule T.

Le nombre des temporisateurs varie selon l'automate. Par exemple, dans le cas d'un TSX 17-20, on a 32 timer, de T00 à T31. La valeur de TPi varie aussi de 0000 à 9999 et TBi peut avoir ces valeurs : 10ms, 100ms, 1s, 1min.

II-H - Les entrées à seuil ajustable

Les anciennes gammes d'automates pouvaient accueillir un type de carte connu sous le nom de : "carte d'entrée à seuils ajustable" .

Ces entrées détectent le franchissement d'un seuil sur une grandeur physique continue. Le réglage du seuil est assuré par programme ou par potentiomètre.

Exemple :

III - Remerciements

Je tiens à remercier les membres developpeurs qui ont contribué à la correction de cet article essentiellement mout1234, bbil et tout ceux qui n'ont pas cessé de me guider afin d'améliorer le présent tutoriel. Un remerciement spécial à millie, le responsable de cette rubrique.