Capteurs Actionneurs Systèmes Automatisés [PDF]

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Chapitre I : Introduction aux systèmes automatisés

I.1 Généralités sur le système Le mot « système » en grec est « systema » qui signifie « ensemble organisé ». En général un système est un ensemble d’éléments en interaction dynamique, organisé en fonction d’un but. La fonction globale de tout système est de conférer une valeur ajoutée à un ensemble de matières d’œuvre dans un contexte donnée. Un système de production est dit industriel si l’obtention de cette valeur ajoutée a un caractère reproductible et peut être exprimée et quantifiée en terme économique. 



Matière d’œuvre : peut se présenter sous plusieurs formes - Un produit : c.-à-d. de la matière, a l’état solide, liquide ou gazeux et sous une forme plus ou moins transformée Objets techniques : roulement, moteur,… Produit chimiques : pétrole, matière plastique,… Produit textile : fibre, tissu, … - De l’énergie : électrique, thermique, hydraulique (produire, stocker, transporter, convertir) - De l’information : écrite, physique, audio-visuelle (transmettre, communiquer, décoder,…) Valeur Ajoutée : peut résulter par exemple : - Une modification physique de la matière d’œuvre Traitement mécanique Traitement chimique ou biologique Traitement thermique Conversion d’énergie - Une mise en position particulière ou d’un transfert - D’un prélèvement d’information sur ces matières d’œuvre (control, mesure, lecture)

I.2 Système de production automatisé Un système de production répond au besoin d’élaborer des produits, de l’énergie ou de l’information à un cout rentable pour l’utilisateur du système. L’automatisation de la production consiste à transférer tout ou une partie des taches auparavant exécutées par l’operateur humain, dans un ensemble d’objets technique.

I.3 Objectif de l’automatisation L’automatisation permet d’apporter des éléments supplémentaire à a la valeur ajoutée par le système.

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Accroitre la productivité du système ( augmenter la quantité de produit) Améliorer la flexibilité de production Améliorer la qualité du produit adaptation à des contextes particuliers Adaptation à des environnements hostiles pour l’homme (milieu marin, spatial, nucléaire,…) Adaptation à des taches physique ou intellectuelles pénibles pour l’homme. Augmenter la sécurité, …etc

I.4 Rentabilité d’une automatisation Comme pour tout investissement, un projet d’automatisation est jugé sur sa rentabilité, celleci peut s’exprimer sous forme du temps de retour d’investissement. Investissement / gains annuels = Nombre d’années pour retour d’investissement (Nba) Investissement  étude, réalisation, mises au point, frais financiers Gain

 économie main d’œuvre, matière, énergie

Si Nba est inferieur à 3 ans, le projet est en général jugé intéressant.

I.5. Structure d’un système automatisé Tout système automatisé peut être décomposé en trois grandes parties 





La partie commande (PC) : ensemble des moyens de traitement de l’information qui assurent le pilotage et la coordination des taches du processus souhaité par un programme préétabli. La partie opérative (PO) : ensemble des moyens techniques qui permettent d’apporter la valeur ajoutée à la matière d’œuvre en effectuant directement le processus de leur transformation. La partie utilisateur (PU) : (pupitre, écran d’ordinateur) : ensemble des moyens de dialogue qui permettent à l’utilisateur d’échanger des informations avec la partie commande.

Chapitre II : Structure d’un système automatisé

II.1 Définition Un système automatisé est composé de plusieurs éléments conçus pour effectuer un ensemble de tâches programmés. Il simplifie, sécurise et rend moins pénibles les tâches de production ou de la vie courante, les systèmes automatisés peuvent être de nature technique très divers et différentes disciplines peuvent d’interpénétrer : l’automatique, l’informatique, la mécanique, l’électronique, l’électrotechnique. Plus le système est complexe, plus les disciplines concernées sont nombreuses.

II.2 Structure de base d’un système automatisé L’analyse structurelle conduit à décomposer tout système automatisé en trois grandes parties :   

Partie opérative (PO) Partie commande (PC) L’interface homme-machine (IHM)

II.3 Partie opérative La partie opérative effectue les actions (tâches) ordonnées par la partie commande. Elle dispose d’actionneurs pour produire des actions sur les effecteurs et elle adresse des comptes rendus à la partie commande avec les capteurs. Exemple sur un système de perçage automatisé

II.4 Actionneurs Les actionneurs sont des convertisseurs électromécaniques conçus pour mettre en mouvement des systèmes mécanique à partir de commande électrique. Ce sont essentiellement des moteurs et des vérins. Ils produisent de l’énergie mécanique à partir d’énergie électrique, hydraulique ou pneumatique mais toujours contrôlés par des signaux de commande électrique. II.4.1 Actionneurs pneumatiques Les actionneurs pneumatiques convertissent l’énergie de puissance pneumatique en énergie mécanique de translation, de rotation ou d’aspiration. Leurs principales caractéristiques sont : la course, la force et la vitesse. Parmi les actionneurs pneumatiques, on retrouve principalement les vérins, les moteurs et les ventouses. Le fluide pneumatique : Le fluide pneumatique le plus couramment utilisé est de l’air dont la pression usuelle d’emploi est comprise entre 3 et 8 bars (soit 3.105 à 8.105 pascals, l’unité de pression du système international SI). Dans certains cas, on peut utiliser de l’azote. L’air comprimé est utilisé comme fluide énergétique (air travail ou air moteur) pour alimenter des actionneurs (vérins et moteurs pneumatiques). Il peut aussi intervenir dans une chaîne de contrôle ou de mesure (air instrument). De plus, il peut être en contact direct avec le produit dans un processus de fabrication (air process). Production d’énergie pneumatique : Elle est assurée par un compresseur, animé par un moteur électrique. Ce compresseur intégré est constitué d’un filtre, du système de compression de l’air, d’un refroidisseur-assècheur et d’un dernier filtre. La pression de sortie est de l’ordre de 10 bars. Un réservoir permet de réguler la consommation.

Figure.1 Production de l’énergie pneumatique

Figure.2 Symbole du compresseur intégré Avant d’utiliser l’air, il faut le filtrer, l’assécher, le graisser et réguler sa pression. Ainsi, avant chaque SAP (Système Automatisé de Production), on place une unité de conditionnement FRL (appelées aussi « Tête de ligne ») qui adapte l’énergie pneumatique au système. Cette unité FRL est constituée d’un Filtre, d’un mano-Régulateur et d’un Lubrificateur.

Figure.3 Photo d’une unité FRL Le filtre sert à assécher l’air et filtrer les poussières. Le mano-régulateur sert à régler et réguler la pression de l’air. Le lubrificateur sert à éviter la corrosion et à améliorer le glissement.

a) Vérins Un vérin pneumatique est un actionneur qui permet de transformer l'énergie de l'air comprimé en un travail mécanique. Un vérin pneumatique est soumis à des pressions d'air comprimé qui permettent d'obtenir des mouvements dans un sens puis dans l'autre. Les mouvements obtenus peuvent être linéaires ou rotatifs. Un vérin pneumatique ou hydraulique est un tube cylindrique (le cylindre) dans lequel une pièce mobile (le piston) sépare le volume du cylindre en deux chambres isolées l'une de l'autre. Un ou plusieurs orifices permettent d'introduire ou d'évacuer un fluide dans l'une ou l'autre des chambres et ainsi de déplacer le piston, le piston muni d’une tige se déplace librement à l’intérieur d’un tube. Pour faire sortir la tige, on applique une pression sur la face avant du piston, et sur la face arrière pour faire rentrer la tige.

Figure.4 Constitution d’un vérin Cet actionneur de conception robuste et simple à mettre en œuvre est utilisé dans toutes les industries manufacturières. Il permet de reproduire les actions manuelles d'un opérateur telles que pousser, tirer, plier, serrer, soulever, poinçonner, positionner, etc... La figure ci-dessous évoque les principaux emplois des vérins pneumatiques en automatisation de production.

Figure.5 : principaux emplois des vérins pneumatiques

Classification des vérins Selon leur mode de travail, dont dépend leur conception, ils se répartissent en trois catégories - Les vérins à simple effet : dans lesquels l'air d'alimentation ne permet le travail que dans un seul sens : Tirer ou Pousser. - Les vérins à double effet : le travail peut être fourni dans les deux sens : Tirer et Pousser, - Les vérins spéciaux conçus à partir des concepts pour simple effet ou double effet, ils sont prévus pour des applications bien spécifiques, voire réalisés à la

demande suivant un cahier des charges bien défini. (vérin à bande, à membrane, souple, ...) etc.

Vérin simple effet Le travaille dans un sens : L'arrivée de la pression se fait sur un seul orifice d'alimentation, ce qui entraîne le piston dans un sens, le retour s'effectuant sous l'action d'un ressort de rappel.

1. 2. 3. 4. 5.

Fond, Nez Tube Joint de piston Tige

6. Ressort de rappel 7. Entrée d’aire 8. Piston 9. Douille

Figure.6 le vérin simple effet Avantages : les vérins simple effet sont économiques, et la consommation de fluide est réduite. Inconvénients : à course égale, ils sont plus longs que les vérins double effet ; la vitesse de la tige est difficile à régler en pneumatique et les courses proposées sont limitées (jusqu’à 100 mm). Utilisation : travaux simples (serrage, éjection, levage, emmanchements, …)

Vérin double effet Contrairement à la version à simple effet, ce type de vérin comporte deux orifices répartis sur les deux chambres du vérin et peut donc développer un effort en TIRANT et en POUSSANT. La majeure partie de ces vérins peuvent être équipés de capteurs de position à détection magnétique à condition que le vérin dispose d'un piston magnétique.

Figure.7 : le vérin double effet Avantages : plus grande souplesse d’utilisation ; réglage plus facile de la vitesse, par contrôle du débit à l’échappement ; amortissements de fin de course, réglables ou non, possibles dans un ou dans les deux sens. Ils offrent de nombreuses réalisations et options. Inconvénients : ils sont plus coûteux. Utilisation : ce sont les vérins les plus utilisés industriellement, ils présentent un grand nombre d’applications. Vérin double effet à amortissement : Les dispositifs avec tampons amortisseurs sont recommandés aux plus hautes énergies. Dès que le tampon entre dans son alésage, le fluide à l’échappement est obligé de passer par l’orifice B plus petit, au lieu de l’orifice A. La réduction du débit provoque une surpression créant l’amortissement.

Figure.8 : VDE à amortissement non réglable

Figure.9 VDE à amortissement réglable

Vérins spéciaux Vérin à tige télescopique : simple effet et généralement hydraulique, il permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable

Figure.10 : Vérin à tige télescopique

Vérin rotatif : l’énergie du fluide est transformée en mouvement de rotation ; par exemple, vérin double effet entraînant un système pignon-crémaillère. L’angle de rotation peut varier entre 90 et 360°.

Figure.11 : Exemple de réalisation d’un vérin rotatif Multiplicateur de pression : souvent utilisé en oléopneumatique, il permet à partir d’une pression d’air p , d’obtenir un débit d’huile à une pression plus élevée 10 à 20 fois plus élevée que p. Il est ainsi possible d’alimenter des vérins hydrauliques présentant des vitesses de tige plus précises.

Figure.12 : Multiplicateur de pression

Vérin sans tige : C’est un vérin double effet pneumatique. Il est deux fois moins encombrant qu’un vérin classique à tige, l’espace d’implantation est divisé par 2.

Figure.13 : vérin double effet sans tige avec amortissement des deux côtés Vérin double tige : Ce type de vérin absorbe mieux les forces latérales grâce au double palier de la tige.

Figure.14 : Exemple et symbole d’un vérin double tige

Fixations et montage des vérins Les fabricants proposent une gamme importante de fixations pour implanter les vérins. Deux fixations suffisent en général : une à l’avant en bout de tige (cas A, B, C) ou sur le fond avant (D, E, F) plus une à l’arrière (G, H, I) ou au milieu (J, J’, J’’). Fixations usuelles

Figure.15 Fixations et montage des vérins

b.Les moteurs pneumatiques : Les moteurs pneumatiques sont des appareils très utilisés dans les ateliers de production industrielle. Ils trouvent leur utilisation dans des milieux très variés comme les secteurs alimentaires ou pharmaceutiques, le montage automatisé de certains ensembles mécaniques dans l’industrie automobile, l’outillage à main (perceuses, visseuses pneumatiques, etc.).

Figure16. Moteur pneumatique

Le moteur, raccordé au réseau d’air comprimé, est constitué principalement par un carter muni de 2 flasques. Un rotor équipé de palettes est monté excentré.Son guidage est assuré par des roulements à billes montés dans les flasques avants et arrières. L’air comprimé pénètre dans le moteur par l’orifice P et arrive dans le cylindre ou se trouve le rotor 7. Sous l’effet de la pression de l’air comprimé sur les palettes, le rotor tourne. Par l’intermédiaire de la force centrifuge, les palettes, quand le moteur fonctionne, sont appliquées contre la paroi du cylindre.

c.Distributeurs Distributeur est un pré-actionneur associé à un vérin pneumatique (ou hydraulique). Il commande la circulation de l'énergie entre la source et l'actionneur. Ils sont utilisés pour commuter et contrôler le débit du fluide sous pression, comme des sortes d’aiguillage, à la réception d’un signal de commande qui peut être mécanique, électrique ou pneumatique. Ils permettent de : - contrôler le mouvement de la tige d’un vérin ou la rotation d’un moteur hydraulique ou pneumatique (distributeurs de puissance) . - choisir le sens de circulation d’un fluide (aiguiller, dériver, etc.) ; - exécuter, à partir d’un fluide, des fonctions logiques (fonctions ET, OU, mémoire, etc.) ; - démarrer ou arrêter la circulation d’un fluide (robinet d’arrêt, bloqueur, …) .

Principe de la symbolisation Nombre de cases : il représente le nombre de positions de commutation possibles, une case par position. Chaque position du distributeur est symbolisée par un carré.

Flèches : dans chaque case ou position, les voies sont figurées par des flèches indiquant le sens de circulation du fluide entre les orifices. T : les orifices non utilisés dans une position sont symboliquement obturés par un T droit ou inversé. Le nombre des orifices est déterminé pour une position et est égal pour toutes les positions.

Source de pression : elle est indiquée par un cercle noirci en hydraulique, clair en pneumatique. Echappement est symbolisé par un triangle noirci en hydraulique, clair en pneumatique.

La représentation des différents types de commande, s'ajoute de chaque coté du symbole de base.

Distributeur MONOSTABLE : Si le distributeur possède un rappel par ressort

Distributeur BISTABLE : Si le distributeur possède deux pilotages.

Un distributeur sera désigné par le nombre d’ORIFICES qu’il comporte (Nb d’orifices par case) et le nombre de positions (Nb de cases).

Distributeur 3/2 monostable (3 orifices et 2 Positions)

Distributeur 5/2 monostable (5 orifices et 2 Positions)

Distributeur 5/3 à centre fermé

Repérage des orifices : Les orifices sont repérés de la façon suivante : L’orifice(1) : Alimentation Les orifices qui ont des chiffres pairs : branchement vers l’organe à commander Les orifices qui ont des chiffres impairs : Echappements

II.4.2 Actionneur hydraulique La centrale hydraulique : La centrale hydraulique (appelé aussi groupe hydraulique) est un générateur de débit et pas de pression. La pression augmente lorsqu’il y a résistance à l’écoulement. - Elle est constituée essentiellement d’un réservoir d’huile, d’un moteur et d’une pompe et d’un système de filtration. Réservoir : il permet le stockage de l’huile, protection contre des éléments qui peuvent le polluer. Système de filtration : il est utilisé pour éliminer les impuretés et les particules solides du fluide. Pompe : sa fonction consiste à générer un débit de liquide et mettre sous pression l’huile sous forme d’énergie hydraulique. Une centrale hydraulique doit contenir aussi d’autres composants (filtre, limiteur de pression, manomètre, …).

è Figure.17 : Centrale hydraulique.

a) Vérins hydraulique

Le vérin hydraulique est un appareil qui transforme une énergie hydraulique en énergie mécanique. Ils utilisent l’huile sous pression jusqu’à 350 bars Par rapport aux vérins pneumatiques ils sont plus couteux et développent des efforts beaucoup plus important. Les vitesses de tige sont plus précises. Principalement on a deux types : vérins simple effet et vérins double effet b) Pompe hydraulique La pompe est destinée à transformer une énergie mécanique fournie par un moteur, en énergie hydraulique. Son rôle se limite à aspirer l’huile de réservoir et de la refouler. La pompe fournit un débit. Elle est donc un générateur de débit. Une pompe se caractérise par Débit : C’est le volume d’huile que la pompe peut fournir pendant l’unité de temps pour une vitesse de rotation établie. Q : débit, en litres /minute (l/min) Cylindrée : Elle correspond au volume d’huile théorique débitée par tour en cm3 ou en litre. Donc le débit Q correspond à la cylindrée par la vitesse de rotation. Q= Cyl . N Avec Q : débit, en litres /minute (l/min) ; Cyl : Cylindrée, en litres (l/tr) ou en cm3/tr ; N : vitesse de rotation, en tours /minute (tr/min). Vitesse de rotation : La vitesse de rotation maximale en fonctionnement continu (dite vitesse nominale) est principalement limitée par la capacité de la pompe d’aspirer le fluide dans certaines conditions spécifiques. En d’autres termes, on fixe la valeur de la vitesse nominale de telle sorte que tout risque de cavitation soit écarté.

Sens de rotation et symbole

Pompe avec drainage externe.

Le trait interrompu court représente le drainage externe. C’est une canalisation qui récupère le débit de fuite, et qui l’envoie au réservoir. Classification des pompes: On classe les pompes en deux grandes familles : - Les pompes non volumétriques ; dans les quelles la chambre d’admission et la chambre de refoulement où le fluide est expulsé ne sont pas séparées l’une de l’autre par des pièces mécaniques rigides. - Les pompes volumétriques (hydrodynamiques) : dans lesquelles la chambre d’admission est séparée par des pièces mécaniques rigides de la chambre de refoulement, ce qui assure l’étanchéité entre ces deux chambres. Ces pompes sont réparties comme suite

c. Les moteurs hydrauliques Dans ce type d’actionneur, l’énergie hydraulique fournie par un fluide sous pression est transformée en énergie mécanique. Il en résulte un mouvement de rotation de l’arbre de sortie. - Les moteurs hydrauliques présentent deux caractéristiques : le couple moteur et la vitesse de rotation. - Les moteurs sont classés en deux familles : Les moteurs rapides (les moteurs à palettes, à engrenages, à pistons axiaux et à pistons radiaux) et Les moteurs lents (cylindrée élevée).

II.4.3 Actionneurs électriques Actionneurs électriques les plus répandus tels que les moteur à courant continu (que nous appellerons par la suite MCC), et les moteurs asynchrones (que nous appellerons par la suite MAS).

a) la machine à courant continu (MCC) La MCC est constituée de deux parties principales appelées le rotor et le stator (voir schéma ci-dessous).

Figure.18 Vue en coupe simplifiée d'une MCC Rôle du stator (ou inducteur) : Comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-dessus, le stator supporte des bobines d'excitation. Leur rôle va être de produire le champ magnétique dont nous avons besoin

Fig.19a : le champ magnétique dans le stator

Fig.19b : Application du principe de Laplace sur une spire.

On voit que le champ magnétique produit par les bobines du stator traverse tout le rotor (fig.19a), mais s’il n'y avait que cela, le moteur ne fonctionnerait pas. Rôle du rotor (ou induit) : On peut voir dans la fig.19b que le rotor possède des encoches. Elles servent à recevoir des fils conducteurs qui seront parcourus par un courant électrique. Le principe de Laplace : Si on plonge un conducteur électrique de longueur , parcouru par un courant d'intensité I, dans un champ magnétique d'intensité B, alors le conducteur se voit appliqué une force d'intensité F Sur la fig19b sont indiquées les forces agissant sur les deux fils. On peut voir que le couple de force va mettre le cylindre (ici le rotor) en rotation. Si vous multipliez le nombre de spires, alors vous augmentez le couple appliqué sur le rotor et ainsi la puissance du moteur !

b) la machine asynchrone La machine asynchrone fonctionne différemment par rapport à la MCC. L'alimentation de cette machine ne se fait plus par un générateur de tension constante, mais par un générateur triphasé.

Figure20. Schéma d'une vue en coupe d'une MAS

c. L’effecteur.

Tout élément de la partie opérative qui agit dans le système (cabine d’ascenseur, convoyeur, wagon, …). Il est situé à la suite de l’actionneur pour finaliser le travail, il produit l’effet attendu. Par exemple : Les chenilles du robot ou la cabine d’ascenseur. L’effecteur est l'élément terminal de la chaîne d’énergie, sa fonction technique peut se décomposer en plusieurs actions :  Transmettre l’énergie  Transformer l’énergie  Adapter l’énergie Exemple des effecteurs

II.5 Capteurs Les capteurs sont des composants de la chaîne d'acquisition, dans une chaîne fonctionnelle. Les capteurs prélèvent une information sur le comportement de la partie opérative et la transforment en une information exploitable par la partie commande. Une information est une grandeur abstraite qui précise un événement particulier parmi un ensemble d'événements possibles. Pour pouvoir être traitée, cette information sera portée par un support physique (énergie), on parlera alors de signal. Les signaux sont généralement de nature électrique ou pneumatique. Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable.

Principales caractéristiques des capteurs : Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur. Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur. Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée. Exemple : Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C. Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie. Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.

II.5.1 CLASSIFICATION DES CAPTEURS Au delà du simple capteur à contact et à commande mécanique, il existe un grand nombre de modèles afin de répondre aux multiples problèmes posés par la détection.

a) Classification en fonction du signal délivré On distingue les grandes familles de capteurs par le type de signal qu'ils transmettent. Signal TOUT ou RIEN (TOR) : - Ce sont les capteurs les plus répandus en automatisation (interrupteurs de position, détecteurs de proximité...). Les capteurs TOR ne délivrant que deux états 0 et 1 sont généralement appelés des DETECTEURS

Signal ANALOGIQUE : -Il traduit des valeurs de température, de position, de pression... etc sous la forme d'un signal évoluant entre deux valeurs limites.

Ex: La température dans le collecteur peut prendre toutes les valeurs entre 0 et 250°C. Le signal transmis varie de façon continue entre 0 et 20mA. Signal NUMERIQUE : - Le signal délivré est une combinaison de BITS formant un signal numérique.

Ex: A chaque position angulaire (P1,...Pn) du plateau correspond une valeur numérique délivrée par le codeur. b) Classification en fonction du mode de détection Détection par CONTACT : L'objet à détecter entre en contact avec le dispositif d'attaque Principe de fonctionnement ; Les interrupteurs de position sont constitués de trois éléments de base : (1) un contact électrique (2) un corps (3) une tête de commande avec son dispositif d’attaque

Différentes formes de dispositif d’attaque

Détection SANS CONTACT: Le détecteur émet un champ magnétique ou électrique qui se trouve perturbé par la proximité d’un objet : Métallique Détecteur inductif (émission d’un champ magnétique) Non métallique Détecteur capacitif (émission d’un champ électrique) Capteur capacitif : Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque des oscillations en modifiant la capacité de couplage du condensateur.

Capteur inductif : Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie, le capteur commute.

Détection A DISTANCE d’un objet

Un rayon lumineux est interrompu par l'objet à détecter, Un photorécepteur traduit cette présence en un signal électrique

Il existe 3 systèmes de détection photo-électrique Le système BARRAGE

L’émetteur et le récepteur sont dans 2 boîtiers séparés. L’objet est détecté lorsqu’il interrompt le faisceau lumineux.

Le système REFLEX

L’émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. Le faisceau émis est renvoyé au récepteur par un réflecteur. La détection se fait par coupure du faisceau

Le système DE PROXIMITE

L’émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. La détection se fait lorsque le faisceau est réfléchit par la pièce à détecter.

II.6 Partie commande La partie commande d'un automatisme est le centre de décision. Il donne des ordres à la partie opérative et reçoit ses comptes rendus. La partie commande peut être mécanique, électronique ou autre.

Technologie de la commande

La logique câblée L’élément principal s’appelle module séquenceur et l’association de modules constitue un ensemble appelé séquenceur. Le pilotage des distributeurs se fait par une action de l’air comprime sur un piston qui fait déplacer le tiroir du distributeur à droite ou à gauche. L’ensemble, appelé tout pneumatique, est homogène et fiable. La logique programmée: commande électrique L’élément principal s’appelle l’Automate Programmable Industriel ou l’API. La détection est électrique. Le pilotage des actionneurs se fait par l’intermédiaire de relais ou de distributeurs. Il existe sur le marche de nombreuses marques d’automates : Télémécanique, Siemens, Omron, Allen Bradley, Cegetel, etc…

II.6.1 Un Automate Programmable Industriel Un Automate Programmable Industriel (API) (en anglais Programmable Logic Controller, PLC) est une machine électronique programmable par un personnel non informaticien. API réalise des fonctions d'automatisme pour assurer la commande de pré actionneurs et d'actionneurs à partir d'informations logique, analogique ou numérique. L'Automate Programmable Industriel (API) peuvent être de type compact ou modulaire. Automate compact : Il intègre le processeur, l'alimentation, les entrées et les sorties. Selon les modèles et les fabricants, il pourra réaliser certaines fonctions supplémentaires (comptage rapide, E/S analogiques ...) et recevoir des extensions en nombre limité. Automate modulaire, le processeur, l'alimentation et les interfaces d'entrées / sorties résident dans des unités séparées (modules) et sont fixées sur un ou plusieurs racks contenant le "fond de panier" (bus plus connecteurs). Ces automates sont intégrés dans les automatismes complexes où puissance, capacité de traitement et flexibilité sont nécessaires.

Situation de l’automate dans un système automatisé de production

a. La structure d’un API

Cet ensemble électronique gère et assure la commande d’un système automatise. Il se compose de plusieurs parties et notamment d’une mémoire programmable dans laquelle l’operateur écrit, dans un langage propre a l’automate, des directives concernant le déroulement du processus a automatiser. Son rôle consiste donc a fournir des ordres `a la partie opérative en vue d’exécuter un travail précis comme par exemple la sortie ou la rentrée d’une tige de vérin, l’ouverture ou la fermeture d’une vanne. La partie opérative lui donnera en retour des informations relatives `a l’exécution du-dit travail.

Structure interne d’un API Les API comportent quatre parties principales : – Une mémoire ; – Un processeur ; – Des interfaces d’Entrées/Sorties ; – Une alimentation (240 Vac ! 24 Vcc). Ces quatre parties sont reliées entre elles par des bus (ensemble câble autorisant le passage de l’information entre ces 4 secteurs de l’API). Ces quatre parties réunies forment un ensemble compact appelé automate.

b. Description des éléments d’un API Le processeur : Son rôle consiste d’une part à organiser les différentes relations entre la zone mémoire et les interfaces d’E/S et d’autre part à gérer les instructions du programme. Les interfaces : L’interface d’Entrées comporte des adresses d’entrée, une pour chaque capteur relie. l’interface de Sorties comporte des adresses de sorties, une pour chaque pré-actionneur. Le nombre d’E/S varie suivant le type d’automate. Les cartes d’E/S ont une modularité de 8, 16 ou 32 voies. Elles admettent ou délivrent des tensions continues 0 - 24 Vcc. La mémoire : Elle est conçue pour recevoir, gérer, stocker des informations issues des différents secteurs du système que sont le terminal de programmation (PC ou console) et le processeur, qui lui gère et exécute le programme. Elle reçoit également des informations en provenance des capteurs. Il existe dans les automates plusieurs types de mémoires qui remplissent des fonctions différentes :

– la conception et l’élaboration du programme font appel `a la RAM et l’EEPROM. L’alimentation : Tous les automates actuels utilisent un bloc d’alimentation alimente en 240Vac et délivrant une tension de 24 Vcc.

1. Composants du S7-300

Figure .1 Automate modulaire S7 300 (Siemens)

1. Module d'alimentation 2 Pile de sauvegarde 5. LED de signalisation d'état et de défauts 6 Carte mémoire 11. Module d’entrées 12. Module de sortie

7. Interface multipoint (MPI) 9. Volet en face avant 10. Unité centrale de traitement

L’automate programmable qu’on présente dans la suite de ce manuel, c’est l’automate S7300 disponible au niveau du laboratoire automatisme industriel (département d’automatique)

(1) Module d’alimentation S 307 ; 2 A ;(6ES7307-1BA00-0AA0) : Le module d’alimentation convertit la tension secteur (CA 120/230 V) en tension de service CC 24 V et assure l'alimentation du S7-00 ainsi que l'alimentation externe pour les circuits de charge CC 24 V. Nº de référence : 6ES7307-1BA00-0AA0 Le module d'alimentation PS 307 ; 2 A présente les propriétés suivantes : ● Courant de sortie 2 A ● Tension nominale de sortie 24 V, stabilisée, tenue aux courts-circuits et à la marche à vide ● Raccordement à un réseau alternatif monophasé (tension nominale d'entrée 120/230 V, 50/60 Hz) ● peut servir de tension d'alimentation des capteurs et actionneurs

Schéma de raccordement du PS 307 ; 2 A 1. Signalisation "Tension de sortie 24 V présente" 2. Sélecteur de la tension réseau 3. Commutateur EN/HORS du 24 V 4. Bornes pour la tension secteur et le conducteur de protection 5. Bornes pour la tension de sortie 24 V cc 6. Arrêt de traction

Divers modules d'alimentation sont mis à disposition pour l'alimentation du S7-300 tel que le PS 305 2A.

PS 307 5A. PS 307 10A.

2) Unité central de traitement CPU cœur de l’automate, elle est constituée : d’un processeur qui exécute le programme et d’une carte mémoires qui, non seulement contiennent ce programme, mais aussi des informations de données (durée d’une temporisation, contenu d’un compteur) La figure montre les organes de commande et de visualisation d’une CPU, sur certaines CPU, la disposition des organes diffère de celle représentée ici. Les CPU ne disposent pas toujours de tous les organes représentés.

Figure.3 Schéma d’une CPU 314

L’automate disponible dans notre laboratoire de TPs , est muni d’une CPU 312 ( 312-1AD100AB0 ) et une carte mémoire d’une capacité :64KB (6ES7953-8LF11-0AA0) (3) Module d'entrées TOR SM 321 ; DI 32 x 24 V cc ; Nº de référence : " 6ES7321-1BL00-0AA0 Propriétés : Le module SM 321 ; DI 32 x 24 V cc dispose des propriétés suivantes : - 32 entrées, séparation galvanique par groupes de 16 - tension d'entrée nominale : 24 V cc

Schéma de branchement et de principe du SM 321 ; DI 32 x 24 V cc

Figure .4

Schéma de branchement d’un module d’entrée

1 .Nº de voie 2 .Signalisation d'état - vert 3. Coupleur de bus interne

Modules

Tableau .1 les principales propriétés des modules d'entrées TOR.les modules d’entrées SM 321 ; SM 321 ; SM 321 ; SM 321 ; SM 321 ; utilisés DI 32 x DI 32 x DI 16 x DI 16 x 24 DI 16 x 24 V cc 120 V ca 24 V cc V cc 24 V cc ; (-1BL00-) (-1EL00-) (-1BH02-) (-1BH10-) (-7BH01-)

Nombred'entrées 32 DI ; par groupes de 16

Tension nominale d'entrée Modules

32 DI ;

16 DI ;

par groupes de 8

24 V cc

SM 321 ; DI 16 x UC 24/48V (-1CH00-)

SM 321 ; DI 16 x 24 V cc ; (-1BH50-)

par groupes de 16

16 DI ; par groupes de 16

16 DI ; par groupes de 16

16 DI de par groupes de

120 V ca

24 V cc

24 V cc

24 V cc

24 V cc

SM 321 ; DI 16 x 48-125 V cc (-1CH20-)

SM 321 ; DI 16 x 120/230 V c.a. (-1FH00-)

SM 321 ; DI 16 x NAMUR (-7TH00-)

SM 321 ; DI 8 x 120/230 V c.a. (-1FF01-)

SM 321 ; DI 8 x 120/230 V ca ISOL (-1FF10-)

16

Nombred'entrées 16 DI ; par groupes de 1

16 DI ; par groupes de 8

16 DI ; par groupes de 4

Tension nominale d'entrée

48 à 125 V cc

120/230 V 120/230 V c.a. c.a.

24 à 48 V cc 24 à 48 V ca

16 DI ; par groupes de 2

8 DI ; par groupes de 2

8 DI ; par groupes de 1

120/230 V 120/230 V c.a. c.a.

4) Module de sorties TOR SM 322 ; DO 32 x 24 V cc/ 0,5 A ;

Nº de référence 6ES7322-1BL00-0AA0

Propriétés Le module SM 322 ; DO 32 x 24 V cc/0,5 A se distingue par les propriétés suivantes : ● 32 sorties, séparation galvanique par groupes de 8 ● courant de sortie 0,5 A ● tension d'alimentation nominale 24 V cc ● convenant pour électrovannes, contacteurs pour courant continu et LED Schéma de branchement et de principe du module SM 322 ; DO 32 x 24 V cc/0,5 A

Nº de voie Signalisation d'état – vert Coupleur de bus interne Modules

SM 322 ; DO 16 x rel. 120 V ca (-1HH01-)

SM 322 ; DO 8 x rel. 230 V ca (-1HF01-)

SM 322; DO 8 x rel. 230 V ca/5 A (-5HF00-)

SM 322; DO 8 x rel. 230 V ca/5 A (-1HF10-)

SM 323 ; DI 16/DO 16 x 24 V cc/0,5 A (-1BL00-)

SM 323 ; DI 8/DO 8 x 24 V cc/0,5 A (-1BH01-)

Nombre de sorties

16 sorties, par groupes de 8

8 sorties, par groupes de 2

8 sorties, par groupes de 1

8 sorties,par 16 entrées, groupes de par groupes de 1 16

8 entrées, par groupes de 8

Tension nominale de charge L+

24 à 120 V cc, 48 à 230 V ca

24 à 120 V cc,48 à 230 V ca

24 à 120 V cc, 24 à 230 V ca

24 à 120 V cc, 48 à 230 V ca

24 V cc

24 V cc

Logiciel de programmation STEP 7 STEP 7 est le progiciel de base pour la programmation de systèmes d'automatisation SIMATIC. Il fait partie de l'industrie logicielle SIMATIC. Le progiciel de base STEP 7 existe en plusieurs versions : - STEP 7-Micro/DOS et STEP 7-Micro/Win pour des applications autonomes simples sur SIMATIC S7 - 200. -

STEP 7 pour des applications sur SIMATIC S7-300/400, SIMATIC M7-300/400 et SIMATIC C7 présentant des fonctionnalités supplémentaires : 1) Installation de STEP 7 Insérez le CD-ROM de STEP 7 dans le lecteur. Le programme d‘installation est automatiquement lancé. Suivez les instructions affichées par celui-ci. Après l‘installation et le redémarrage de l‘ordinateur, l‘icône du „SIMATIC Manager“ s‘affiche sur votre bureau.

2) Lancer SIMATIC Manager et créer un projet Le lancement de STEP 7 fait s‘ouvrir le gestionnaire de projets SIMATIC Manager.L‘assistant de STEP 7 est par défaut toujours activé. Celui-ci a pour but de vous assister dans la création de votre projet STEP 7. La structure du projet sert à ordonner les données et programmes créés au cours du projet.

La station SIMATIC et la CPU renferment les données de configuration et de paramétrage du matériel.

Le programme S7 contient tous les blocs des divers programmes qui serviront à commander la machine.

Etape pour la création d’un projet Double-cliquez sur l‘icône SIMATIC Manager.

Ceci lance l‘assistant de STEP 7.

Chapitre.3 Les réseaux de terrain

Un réseau local industriel est utilisé dans une usine ou tout système de production pour connecter diverses machines afin d’assurer la commande, la surveillance, la supervision, la conduite, la maintenance, le suivi de produit, la gestion, en un mot, l’exploitation de l’installation de production. 1. LES AUTOMATISMES CENTRALISÉS : Jusque dans les années 80, les automatismes, s’appuyant sur des automates programmables industriels (API) traitaient essentiellement des fonctions séquentielles.

2. LES AUTOMATISMES DECENTALISES : Du fait des contraintes imposées par les systèmes centralisés, les utilisateurs se sont orientés vers une segmentation de l'architecture. Celle-ci a été faite en découpant l’automatisme en entités fonctionnelles.

Rôle : - simplifier les automatismes en réduisant le nombre d’E/S gérées - faciliter la mise en service et la maintenance. Cette segmentation a généré le besoin de communication entre les entités fonctionnelles. La fonction de communication est devenue la clef de voûte de la conception des architectures d’automatismes. 3. RESEAUX DE TERRAIN : bus de communication industriels Ceux-ci ont permis de gérer dans un premier temps des E/S décentralisées puis la périphérie d’automatisme. Avantages : - installation locale ou distante du produit plus facile - extension possible des applications - gestion, diagnostics et réparation à distance de l'équipement Généralement, on regroupe sous le terme bus de terrain tous les bus de communication industriels. On distingue néanmoins par complexité décroissante : ● le bus d'usine (data bus) : réseau local industriel (RLI) permet la communication entre l'automatisme et le monde informatique souvent base sur Ethernet ● le bus de terrain (field bus et device bus) : interconnexion des unités de traitement et des périphériques ● le bus de bas niveau (sensor bus) : bus capteur/actionneur