Automatisation Et Supervision D'une Porte de Garage [PDF]

Zitiervorschau

Royaume du Maroc ‫المملكة المغربية‬ ‫عين الشق‬- ‫جامعة الحسن الثاني‬ ‫المــــــدرســـة الوطنيـــــة العليـــــــــــا‬

UNIVERSITE HASSAN II – AIN CHOCK ECOLE NATIONALE SUPERIEURE

‫للكهربـــــــــــــــــاء والميكانيــــــــــك‬ ‫الــــــــدار البيضــــــــــاء‬

D'ELECTRICITE ET DE MECANIQUE CASABLANCA

PROJET DE SIMULATION DES SYSTEMES DE PRODUCTION Département : Génie Electrique Filière : Automatique et Informatique Industrielle

Automatisation et supervision d’une porte de garage

Réalisé Par :  Manal BELRHAZI  Asma TAHIRI

Encadré par :  M. LISSANE EL HAK 

Année Universitaire 2015/2016

Sommaire Chapitre I : Introduction générale I.1 Automate SIMATIC S7-1200 ............................................................................................................... 4 I.2 TIA Portal ............................................................................................................................................ 5

Chapitre II : Généralités sur le système à commander & Cahier de charges II.1 Introduction ....................................................................................................................................... 7 II.2 Description du système ..................................................................................................................... 7 II.2.1 Consignes.................................................................................................................................... 7 II.2.2. Listes des actionneurs ............................................................................................................... 8 II.2.3. Listes des capteurs .................................................................................................................... 8 II.3 Présentation du cahier de charges .................................................................................................... 8 II.4 Conclusion ......................................................................................................................................... 9

Chapitre III : Automatisation de la porte de garage III.1 Introduction .................................................................................................................................... 10 III.2 Grafcets & schéma ladder pour l’automatisation de la porte........................................................ 10 III.2.1 Rappel sur l’outil GRAFCET ...................................................................................................... 10 III.2.2 Entrées et sorties du système ................................................................................................. 10 III.2.3 Mode manuel .......................................................................................................................... 11 III.2.4 Mode automatique ................................................................................................................. 16

Chapitre IV : La supervision de la porte de garage IV.1 Introduction ................................................................................................................................... 20 IV.2 Variable IHM et vues crées ............................................................................................................ 20 IV.3 Conclusion ...................................................................................................................................... 27

Chapitre V : Généralités sur le GEMME V.1 Introduction .................................................................................................................................... 28 V.1.1 Définition.................................................................................................................................. 28 V.1.2 Pourquoi le GEMMA ? .............................................................................................................. 28 V.1.3 Guide graphique ....................................................................................................................... 28 V.2 Le GEMMA....................................................................................................................................... 28 V.2.1 Partie commande hors énergie (PZ)......................................................................................... 30 V.2.2 Partie commande en énergie (A, D, F) ..................................................................................... 30 V.3 Définition des procédures ............................................................................................................... 30

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V.3.1 Les procédures de fonctionnement (F) .................................................................................... 30 V.3.2 Les procédures d'arrêts (A) ...................................................................................................... 31 V.3.3 Les procédures en défaillances (D) .......................................................................................... 32 V.4 Utilisation pratique du GEMMA ...................................................................................................... 33

Conclusion

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Chapitre I : Introduction Générale I.1 Automate SIMATIC S7-1200 Siemens présente l’automate SIMATIC S7-1200 comme étant modulaire, compact, polyvalent et constituant donc un investissement sûr et une solution adaptée à une grande variété d’applications.

Il comprend : 

un contrôleur avec interface PROFINET intégrée pour la communication avec une console de programmation, une interface homme-machine ou d'autres contrôleurs SIMATIC ;



des fonctions technologiques performantes intégrées, par ex. comptage, mesure, régulation et Motion Control - entrées/sorties TOR et analogiques intégrées ;



des Signal Boards utilisables directement sur un contrôleur ;



des modules d'entrées/sorties pour l'extension des contrôleurs par des canaux d'entrées/sorties ;



des modules de communication pour l'extension des contrôleurs par des interfaces de communication ;



des accessoires, par ex. alimentation, modules de commutation ou SIMATIC Memory Card.

On peut ainsi lui citer les qualités suivantes :

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

un effet d'automatisation maximal pour un coût raisonnable ;



simplicité de montage, de programmation et de manipulation ;



hautement intégré, peu encombrant ;



convenant pour les applications d'automatisation de petite à moyenne envergure ;



convenant pour les applications fermées jusqu'ici à la logique programmée pour des raisons de coûts ;



toutes les CPU utilisables en mode autonome, en réseau et dans des architectures décentralisées.

Pour la réalisation de ce projet, nous avons utilisé l’automate SIMATIC S7-1200 – Unité centrale 1412C qui a les caractéristiques techniques suivantes : 

14 entrées et sorties intégrées ;



Interface Ethernet intégrée ;



Contrôleur PID de base ;



Horloge en temps réel intégrée ;



Entrées d'alarme ;



Bornes détachables sur tous les modules.

I.2 TIA Portal Pour ce qui est de la composante logicielle du projet, nous avons pu utiliser le Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) qui fait partie d'un nouveau concept d'ingénierie intégré développé par Siemens et qui offre un environnement d’ingénierie homogène pour la programmation et la configuration de solutions de commande, de visualisation et d'entraînement.

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Ainsi, pour la programmation de l’automate, nous avons utilisé le logiciel Step7 (TIA portal) qui est le composant logiciel de programmation et de configuration du portail TIA (Totally Integrated Automation) dédié aux contrôleurs SIMATIC de Siemens. STEP 7 fournit un environnement convivial pour concevoir, éditer et surveiller la logique nécessaire à la commande, et notamment les outils pour gérer et configurer tous les appareils d’un projet, tels que des automates et appareils IHM. STEP 7 comprend des langages de programmation standard 

CONT (schéma à contacts) qui est un langage de programmation graphique. Sa représentation se base sur des schémas de circuit ;



LOG (logigramme) qui est un langage de programmation se fondant sur les symboles logiques graphiques utilisés en algèbre booléenne ;



SCL (Structured Control Language), évolué basé sur et proche de PASCAL.

Pour la réalisation d’une solution de supervision sur l’interface HMI_Confort_P21 dont on dispose, nous avons utilisé un autre composant du TIA Portal, à savoir le logiciel de supervision SIMATIC WinCC Advanced. WinCC dans le TIA Portal est le logiciel pour toutes les applications IHM allant de solutions de commande simples avec des Basic Panels aux applications SCADA pour systèmes multipostes basés sur PC.

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Chapitre II : Généralités sur le système à commander & Cahier de charges II.1 Introduction Notre projet consiste à automatiser et à surveiller une porte de garage, alors nous commencerons tout d’abord, dans ce chapitre, par une description générale de notre système à commander et enfin nous exposerons les différentes prescriptions imposées par le cahier des charges du projet.

II.2 Description du système Pour assurer l’ouverture ou la fermeture de la porte de garage que nous allons l’automatiser dans ce projet et la surveiller aussi, nous avons besoin : 

d’un moteur à deux sens de rotation (le moteur déjà installer dans ce cas est de type asynchrone) ;



de deux disjoncteurs KM1 e KM2 pour la rotation du moteur dans le sens direct ou le sens inverse (respectivement).

Un verrouillage mécanique est apparait donc important pour le non fonctionnement simultané des deux disjoncteurs, marche dans le sens direct KM1 et marche dans le sens inverse KM2, afin d’éviter un court-circuit entre deux phases. Pour l’automatisation de notre processus, nous avons besoin d’un ensemble d’actionneurs et des capteurs, chacun est utilisé pour remplir une fonction déterminée. Alors, dans ce qui suit, nous allons préciser ces capteurs/actionneurs nécessaire tout en donnant le rôle de chacun.

II.2.1 Consignes 

dcy : Ordre de départ cycle depuis l’entrée de l’automate ;



dcyH : Ordre de départ cycle depuis l’écran de supervision (nous allons l’utiliser dans la partie de supervision).

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II.2.2. Listes des actionneurs  KM1 : Contacteur qui commande l’ouverture de la porte ;  KM2 : Contacteur qui commande la fermeture de la porte ;  Moteur asynchrone qui sert à Ouvrir/Fermer la porte. II.2.3. Listes des capteurs  B_Ouvre : Bouton poussoir pour ouvrir la porte de garage en mode manuel ;  B_Ferme : Bouton poussoir pour fermer la porte de garage en mode manuel ;  B_Arret : Bouton poussoir pour arrêter la porte de garage en mode manuel ;  AU : Bouton poussoir pour l’arrêt d’urgence (normalement fermé) ;  Auto/Manu : Mode automatique %I1.5=1 ; mode manuel %I1.5=0 ;  BP_Acquit : Bouton poussoir pour l’acquittement des défauts ;  Km1 : Retour contacteur KM1 ;  Km2 : Retour contacteur KM2 ;  FC1 : Capteur fin de course porte fermé ;  FC2 : Capteur fin de course porte ouverte ;  DET : Détecteur de présence (voiture ou personne) utilisé pour la sécurité.

II.3 Présentation du cahier de charges Pour répondre aux différentes exigences imposées par notre cahier de charge, le fonctionnement de la porte de garage doit répondre aux prescriptions suivantes : 

Avoir deux modes de marches de la porte de garage : le mode manuel et le mode automatique.



Au niveau des contacteurs KM1 et KM2 qui commande respectivement l’ouverture et la fermeture de la porte, il faut gérer les différentes défauts de discordance et une fois la défaillance est réparée, il faut acquitter ce dernier (le défaut).



Pour le mode manuel, il faut sélectionner tout d’abord le mode de marche «Manu». Ensuite, pour la commande de la porte on travaille avec les boutons poussoirs suivantes :

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 B_Ouvre : pour l’ouverture de la porte ;  B_Ferme : pour la fermeture de la porte ;  B_Arrêt : pour l’arrêt de la porte. 

Pour le mode Automatique, il faut respecter le fonctionnement suivant :  La porte doit être fermée au départ (condition initiale FC1=0).  Si on sélectionne le mode « Auto » et on appuis sur le bouton poussoir « Dcy », la porte s’ouvre ;  Une fois la porte devienne ouverte (fin de course FC2=0), il faut arrêter le moteur. La porte reste ouverte durant 3s, puis elle se referme automatiquement.  Lorsqu’elle devienne fermée une nouvelle fois (fin de course FC1=0), il faut arrêter le moteur.  Pour des raisons de sécurité, si le détecteur DET détecte la présence d’un objet, la porte doit s’arrêter immédiatement.



En cas d’arrêt d’urgence, de la présence d’un défaut de discordance ou la présence d’un objet, la porte doit s’arrêter immédiatement. Tous les grafcet restent figés à leurs étapes courantes. En désactivant l’arrêt d’urgence ou/et en acquittant le défaut, le système continu à partir de sa situation courante.

Remarque : La mise à 1 des contacteurs KM1 et KM2 pour ouvrir ou fermer la porte, doit se faire dans le cas où les conditions suivantes sont satisfaites :  Il n y a aucun défauts ;  L’arrêt d’urgence est désactivé ;  Si KM1=1 alors km2=0 et si KM2=1 alors km1=0 pour éviter les défauts de court-circuit entre les phases.

II.4 Conclusion Après avoir présenté les différentes prescriptions du projet qui constituent les bases de réalisation de ce dernier, nous tâcherons dans le chapitre suivant de réaliser les différents programmes (soit sous forme des grafcets ou des schémas ladder) nécessaires à automatiser notre système.

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Chapitre III : Automatisation de la porte de garage III.1 Introduction Notre projet consiste en l’automatisation d’une porte de garage, qui doit fonctionner selon deux modes différents : le mode manuel et le mode automatique. Alors dans ce chapitre, nous allons déterminer les variables API à utiliser pour automatiser notre porte de garage. Ensuite, nous allons proposer une solution du problème décrit auparavant, tout on donnant des grafcets pour avoir une idée claire sur le fonctionnement assurer avec bien sûr les schémas ladder correspondants et que nous allons l’exploiter directement sur notre automate.

III.2 Grafcets & schéma ladder pour l’automatisation de la porte III.2.1 Rappel sur l’outil GRAFCET Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande par Etapes et Transitions) ou SFC (Sequential Fonction Chart) est un outil graphique qui décrit les différents comportements de l'évolution d'un automatisme et établit une correspondance à caractère séquentiel et combinatoire entre :  Les entrées, c'est-à-dire les transferts d'informations de la Partie Opérative vers la Partie Commande ;  Les sorties, transferts d'informations de la Partie Commande vers la Partie Opérative. Le modèle GRAFCET est défini par un ensemble constitué d’éléments graphiques de base :  des étapes associées à des actions ;  des transitions associées à des réceptivités ;  des liaisons orientées reliant étapes et transitions.

III.2.2 Entrées et sorties du système Avant de proposer un Grafcet pour l’automatisation du système étudié ou de le traduire en schéma de contact (CONT), nous allons commencer tout d’abord par la déclaration des différentes entrées et sorties avec leurs types et adressages. Les résultats sont regroupés dans les deux tableaux ci-dessous.

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III.2.3 Mode manuel Pour le fonctionnement en mode manuel de notre système, nous avons programmé le Grafcet présenté dans la figure ci-dessous.

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

Pour travailler en mode manuel, il faut tout d’abord activer ce dernier c’est-à-dire on fait passer le switch associé à l’état 0 => Manu ;



Ensuite, il y a deux chemins à suivre, soit :  Donner un ordre d’ouverture de la porte et donc le moteur va tourner dans le sens direct lors de fermeture du disjoncteur KM1 ;  Donner un ordre d’ouverture de la porte et donc le moteur va tourner dans le sens inverse à l’aide de fermeture du deuxième disjoncteur KM2.

Remarque : 

Les disjoncteurs KM1 ou KM2 restent fermés jusqu’à la réalisation de l’une des conditions suivantes :  L’activation de l’un des deux capteurs de fin de course FC2 ou FC1 (respectivement pour les disjoncteurs KM1 ou KM2) ;  La présence d’une voiture ou d’un objet à travers le détecteur de présence DET ;  L’appui sur le bouton poussoir B_Arrêt ; 



La présence d’un arrêt d’urgence AU.

Les conditions /B_Ouvre.B_Ferme ou B_Ouvre./B_Ferme sert à ne pas donner à la fois les deux ordres d’ouverture et de fermeture de la porte, car on ne peut jamais fermer les deux disjoncteurs KM1 et KM2 simultanément à cause du verrouillage mécanique, afin d’éviter les court-circuit entre les phases.

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Voici le schéma en langage de contact qui traduit le fonctionnement de notre système en mode manuel :

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III.2.4 Mode automatique Pour le fonctionnement en mode automatique du système étudié, nous avons programmé le Grafcet présenté dans la figure suivante :

Pour travailler en mode automatique, il faut tout d’abord activer ce dernier (c-à-d on fait passer le switch associé à l’état 1=> auto). Ensuite, nous activons le départ cycle « Dcy=1 ». Remarque : Avant l’activation du départ cycle « dcy=0 », tous les disjoncteurs sont ouverts (KM1=0 et KM2=0). Et puisque nous avons supposé que la porte est normalement fermée au départ, alors le cycle commence :  Le premier disjoncteur KM1 se ferme dès qu’on appuis sur le bouton « Dcy », et donc le moteur asynchrone va tourner dans le sens direct pour ouvrir la porte jusqu’à ce que le capteur FC2 passe à 1 pour indiquer l’ouverture totale de la porte et donc le moteur doit s’arrêter dans ce cas-là ;  Après la porte va rester ouverte durant 3s ;

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 Dès que les 3s se terminent, le deuxième disjoncteur se ferme à son tour, automatiquement pour imposer la rotation dans le sens inverse du moteur et donc la fermeture de la porte de garage jusqu’à ce que FC1=1 dans le cas normal. Remarque : 

En cas d’arrêt d’urgence, soit lors d’ouverture ou de fermeture de la porte, le moteur doit s’arrêter immédiatement (l’activation de l’étape A2 ou A4 respectivement). Ensuite, pour que la porte puisse continuer son chemin, il faut désactiver premièrement l’arrêt d’urgence ensuite acquitter le défaut.



En cas de présence d’une voiture ou d’une personne à travers le capteur DET (utilisé pour assurer la sécurité) qui doit s’ouvrir dans ce cas, la porte doit s’arrêter immédiatement. Pour que la porte puisse terminer son mouvement dans ce cas (DET est activé), nous pouvons utiliser la même manière proposée en cas d’arrêt d’urgence, sauf que ce n’est pas le cas que nous avons traité dans nos programmes, alors une autre façon pour le faire, c’est de passer directement à l’aide du switch Auto/Manu au mode manuel et de donner par la suite l’ordre d’ouverture ou de fermeture de la porte selon le besoin.

Le schéma à contact correspond à notre Grafcet en mode automatique est le suivant :

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Remarque : Pour les schémas à contact décrits auparavant, nous ne tenons compte que les variables déjà déclarer dans le tableau des variables API, alors que pour les autres variables qui se

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terminent avec HMI, elles seront utilisées dans le dernier chapitre qui concerne la partie de supervision du système étudié. Schéma à contact pour les sorties utilisées est le suivant :

Remarque : Pour les défauts à gérer nous avons proposé comme exemple le schéma à contact suivant :

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Chapitre 4 : La supervision de la porte de garage IV.1 Introduction Afin de superviser le fonctionnement de la porte de garage que nous avons automatisée, nous avons utilisé la composante SCADA de TIA Portal, à savoir WinCC advanced, avec comme interface homme machine l’écran tactile HMI_Confort_P21 dont on dispose dans le laboratoire.

IV.2 Variable IHM et vues crées Afin de commander le système à partir de l’lHM et d’en superviser le fonctionnement, nous avons d’abord ajouté l’appareil au réseau, puis entré les variables pertinentes en les liant à celles de l’automate. Les tableaux ci-dessous listent ces variables (nous avons repris le tableau pour afficher les propriétés n’apparaissant pas dans la première prise d’écran).

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Sous WinCC, nous avons réalisé les modèles et vues suivantes : Modèle 1 : Horloge/AU

Configuration du switch (Nous avons utilisé un switch puisque c’est la solution adoptée dans le système réel) :

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Modèle 2 : Horloge/AU/ (Manu/Auto)/Menu

Configuration des switches :

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Vue initiale ou d’accueil :

(Cette vue utilise le Modèle 1). Configuration des boutons :

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Vue du mode Manuel :

(Cette vue utilise le Modèle 2). Configuration des boutons et des animations : Notre idée a été qu’au cours du fonctionnement, un seul des rectangles animés puisse apparaître en vert afin de signaler l’état de la porte.

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Vue de mode Automatique :

(Cette vue utilise le Modèle 2). Configuration des boutons et des animations :

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Vue d’alarmes :

IV.3 Conclusion Au cours de la création du modèle de supervision, nous avons fait en sorte qu’il puisse correspondre au système réel (commande) et assurer un accès facile à l’information sur l’état de la porte à tout instant.

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Chapitre V : Généralités sur le GEMME V.1 Introduction V.1.1 Définition GEMMA : l'acronyme GEMMA signifie : Guide d'Etude des Modes de Marche et d'Arrêt. Comme son nom l'indique, c'est un guide d'étude.

V.1.2 Pourquoi le GEMMA ? L'étude faite avec un Gemma est très importante dans l'élaboration du fonctionnement d'un système automatisé. Elle va permettre de structurer le fonctionnement du système. Si généralement on souhaite que le système automatisé soit en production automatique, il est nécessaire de connaître précisément tous les autres comportements. Ce n'est pas en appuyant sur l'arrêt d'urgence que l'on "découvrira" le comportement du système dans cet état...

V.1.3 Guide graphique Le GEMMA est un guide graphique structuré qui propose des modes de fonctionnement types. Selon les besoins du système automatisé à étudier on choisit d'utiliser certains modes de fonctionnement. Le guide graphique GEMMA est divisé en "rectangle d'état". Chaque rectangle d'état a une position précise sur le guide graphique. Chaque rectangle d'état est relié à un ou plusieurs autres rectangles d'états par des flèches orientées. Le passage d'un rectangle d'état à un autre s'effectue un peu à la manière du franchissement d'une transition de grafcet. Le guide graphique GEMMA n'est pas un outil figé, il est modulable à volonté suivant les spécifications à obtenir.

V.2 Le GEMMA 

Structuration du GEMMA

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Le GEMMA définit l'état dans lequel se trouve la partie commande du système automatisé. Dans un premier temps, on peut dire que le GEMMA est divisée en deux parties - Partie commande hors énergie (zone B) - Partie commande en énergie (zones A, D, F)

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V.2.1 Partie commande hors énergie (PZ) C'est la partie gauche, repérée B, sur le graphique précédent. Dans cette zone, la partie commande est hors énergie. Dans cette partie il n'y a pas de modes traités par la partie commande. Seules des actions dites actions réflexes peuvent se réaliser. Le choix des composants du système sera prépondérant dans ce mode pour des raisons de sécurité.

V.2.2 Partie commande en énergie (A, D, F) Cette zone, que nous privilégierons dans cette étude, regroupe trois zones que l'on appelle les familles de procédures. Il en existe trois : 1. Les procédures de fonctionnement; 2. Les procédures en défaillances; 3. Les procédures d'arrêts. Une distinction supplémentaire est faite parmi ces trois familles de procédures. On distingue la zone de production de la zone hors production par un double encadrement de la zone de production en pointillés. La zone de production de trouve à cheval sur les trois types de procédures.

V.3 Définition des procédures V.3.1 Les procédures de fonctionnement (F) Les procédures de fonctionnement définissent les états de fonctionnement du système. Ils sont au nombre de 6. Dans ces rectangles d'état, le système peut produire, mais on peut aussi le régler, le tester. C'est dans ces procédures que l'on trouve le rectangle d'état caractérisant la production normale de tout système. F1 : Dans cet état le système produit normalement.

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F2 : Cet état permet au système d'atteindre les conditions nécessaires pour pouvoir accéder à la production normale. (Préchauffage du fourreau d'une presse à injecter, mise en place d'une boîte avant remplissage,...). F3 : Cet état permet au système d'atteindre une certaine position avant un arrêt prolongé. (Avant l'arrêt de la presse à injecter les plastiques thermodurcissables, il est nécessaire de vider le fourreau afin de pouvoir réutiliser la presse). F4 : Cet état permet la vérification dans le désordre des différents actionneurs du système automatisé sans respecter l'ordre de production normale. Cet état correspond le plus souvent au mode manuel. F5 : C'est l'état dans lequel se trouve la machine avant de passer en production normale. Ce rectangle d'état est caractéristique sur un GEMMA car il est matérialisé par un double encadrement. Il correspond un peu à l'état initial d'un grafcet. A2 : Cet état permet de conduire le système à un arrêt en fin d'un cycle de production. Le système va continuer de produire et s'arrêter lorsque le cycle de production sera terminé. Cet état est utilisé lorsque l'on souhaite réalimenter en matière première un système.

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A3 : Cet état permet de conduire le système à un arrêt différent du précédent. Il permet par exemple d'arrêter le système dans un état permettant une intervention sur un système. A4 : Cet état permet de conduire le système à un arrêt différent de l'arrêt en fin de cycle. A5 : Cet état permet de ramener le système après une défaillance dans une position qui lui permettra de remettre en route le système. Dans cet état l'opérateur intervient en général manuellement pour dégager, nettoyer ou vider le système. A6 : Cet état permet, en général après une remise en route après défaillance du système de ramener le système manuellement ou automatiquement en position initiale. A7 : Cet état permet d'arrêter le système dans une position autre que la position initiale. Le redémarrage du système ne se fera donc pas de l'état initial.

V.3.3 Les procédures en défaillances (D) Les procédures en défaillance définissent les états que devra avoir la partie opérative en cas de défaillance. Ils sont au nombre de 3. Ces rectangles d'état permettent gérer les défaillances du système tel que par exemple l'arrêt d'urgence. Les états de défaillance sont les états de défaillance de la P.O. D1