Cours Autom ITII 2018-2019 [PDF]

Zitiervorschau

Cours

AUTO_1

Automatismes Industriels

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ITII, 2° année

2018-2019

Plan du Cours : I / Les Automates Programmables Industriels 1 – Présentation 2 – Structure et fonctionnement 3 - Caractéristiques

II / La Programmation IEC 1131-3 sous CoDeSys 1 – L'adressage des données 2 – Le langage IL 3 – Le langage ST 4 – Le Langage LD 5 – Le langage FBD 6 – Le langage CFC (non IEC 1131-3) 7 – Le langage SFC ITII2

III / Le bus de terrain ASi 1 – Présentation 2 – Couche Physique 3 – Couche liaison de données 4 – Couche Application

IV / Protocole Modbus 1 – Présentation 2 – Supports de communication 3 – Principe des échanges

Automatisme

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I / Les Automates Programmables Industriels 1 - Introduction Les automates programmables industriels sont apparus à la fin des années soixante, à la demande de l'industrie automobile américaine, qui réclamait plus d' adaptabilité de leurs systèmes de commande. Les coûts de l'électronique permettant alors de remplacer avantageusement les technologies alors utilisées. Avant : utilisation de relais électromagnétiques et de systèmes pneumatiques pour la réalisation des parties commandes ⇒logique câblée Inconvénients : cher, pas de flexibilité, pas de communication possible ITII2

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→ Solution : utilisation de systèmes à base de microprocesseurs permettant une modification aisée des automatismes. ⇒logique programmée Contraintes du milieu industriel (1) : ✔ Influences externes : - poussières, - température, - humidité, - vibrations, - parasites électromagnétiques, … ITII2

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Contraintes du milieu industriel (2) : ✔ Personnel :

- dépannage possible par des techniciens de formation électromécanique - possibilité de modifier le système en cours de fonctionnement

✔ Matériel : - Evolutif - Modulaire - Implantation aisée

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Définition : L'Automate Programmable Industriel (API) est un appareil électronique programmable, adapté à l'environnement industriel, qui réalise des fonctions d'automatisme pour assurer la commande de préactionneurs et d'actionneurs à partir d'informations logique, analogique ou numérique.

Les API sont utilisés dans divers secteurs d'activités, que l'on peut regrouper en trois catégories :

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- Les systèmes automatisés de production (SAP), dont l'objectif est d'apporter de la valeur ajoutée à une matière première, en respectant certaines contraintes (financières, normes de sécurité etc...). - L'industrie automobile, la métallurgie, - La production d'énergie (centrales nucléaires, thermiques, hydrauliques...) - L'industrie agro-alimentaire, pharmaceutique, - Le génie-chimique, la pétrochimie, - Les chaînes de conditionnement, - etc ...

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- L'automatisation des bâtiments (GTB : Gestion Technique des Bâtiments), dont les objectifs sont : - L'amélioration du confort (gestion des ascenseurs, régulation de températures...), - La sécurité (alarmes anti-intrusion, détection de fumées...) - La réduction des dépenses énergétiques (gestion automatisée des consignes de température et d'éclairage...) - L'automatisation de machines spéciales : - Engins de chantiers (grues...), - Tri postal, - etc...

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Nature des informations traitées par l'automate : ➢Tout ou rien (T.O.R.) : l'information ne peut prendre que deux états (vrai/faux, 0 ou 1 …). C'est le type d'information délivrée par un détecteur, un bouton poussoir … ➢Analogique : l'information est continue et peut prendre une valeur comprise dans une plage bien déterminée. C'est le type d'information délivrée par un capteur (pression, température …). Une grandeur analogique (tension, courant...) doit être convertie en grandeur numérique par une carte d'entrée spécifique pour pouvoir être traitée par le programme automate.

➢Numérique : l'information est contenue dans des mots codés sous forme binaire ou bien hexadécimale. Il peut s'agir d'une variable interne du programme (compteur...). ITII2

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Architecture des systèmes automatisés : Partie Relation (P.R)

Partie Commande (P.C)

Partie Opérative (P.O)

Commande & signalisation

Préactionneurs

Actionneurs

(2)

(1)

(9)

(3)

S Ana & S TOR

Superviseur

(8)

Effecteurs

API (CPU) E Ana

(4)

E TOR

Procédé

Pupitres opérateurs (6)

Conditionneurs

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(7)

(5)

Détecteurs / Capteurs

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(1) : l'API transmet les ordres de commandes aux préactionneurs, sous forme de niveaux électriques TOR (0/24V) ou analogiques (0-10V, +/-10V, 4-20mA, 0-20mA) (2) : Le préactionneur converti ces ordres en commandes contenant l'énergie nécessaire au pilotage des actionneurs. Exemples : contacteurs, distributeurs électro-pneumatique, variateurs de vitesse... (3) : L'actionneur assure la conversion d'énergie pour agir sur le procédé (exemples : moteur asynchrone, vérin hydraulique, résistance chauffante...). (4) : l'effecteur se situe entre l'actionneur et le procédé à contrôler (exemples : arbre moteur + pâles pour un malaxeur mu par un moteur asynchrone, ventouse de saisie pour un vérin destiné au déplacement de plaques métalliques etc... (5) : Les paramètres physiques utiles à la commande du procédé (exemples : températures, pressions, présences...) sont surveillés grâce à des détecteurs (TOR) et des capteurs (analogiques). (6,7) : Ces informations électriques sont transmises à la P.C - directement reliées aux cartes TOR pour les détecteurs, parfois par le biais d'un conditionneur (et/ou d'un transmetteur) pour l'analogique. (8) : Un réseau local industriel dédié à la supervision permet de lier la P.C et la P.R (et donc indirectement la P.O). Certains éléments de signalisation peuvent néanmoins se faire par le biais des cartes d'E/S (voyants, b.p ...).

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Architectures compactes et modulaires :

Crouzet Millenium

Schneider M340

Siemens 1200

Siemens 1500 Schneider Zelio Wago 750

Automates modulaires ITII2

Automates compacts Automatisme

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2 - Structure & Fonctionnement d’un API Informations (capteurs, dialogue) Entrées Traiter les informations entrantes pour émettre des ordres de sorties en fonction d’un programme.

Programme

Sorties Ordres (pré actionneurs, dialogue) ITII2

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Le cycle de fonctionnement est organisé en 4 tâches : Bus Entrées / Sorties Unité de Traitement RAM

Module d' Entrées

Module de Sorties

Tâche 1 : Gestion du système (auto-contrôle de l’automate) Tâche 2 : Acquisition des données en entrée (mémorisation) Tâche 3 : Traitement des données (exécution du programme) ITII2

Tâche 4 : Affectation des sortiesAutomatisme (émission des ordres)

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Déroulement d'un Cycle-automate : Traitement Interne

Lecture des Entrées

Exécution du Programme

Ecriture des Sorties

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➢ Présentation du contrôleur WAGO 750-849 :

Ports Ethernet pour le chargement des programmes, la supervision...

Bornes pour l'alimentation 24Vcc

Interface série (configuration)

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➢ Caractéristiques du contrôleur WAGO 750-849 :

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Interface d'entrée : elle permet de recevoir les informations de la P.O (ou du pupitre) et de mettre en forme (filtrage, ...) ce signal tout en l'isolant électriquement (optocouplage) :

Le contact "N.O" "ferme le 24 V" sur l'entrée de l'API lorsqu'il est actif Le contact "N.F" "ouvre le 24 V" sur l'entrée de l'API lorsqu'il est actif

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➔Coupleur d'entrées : « du bornier vers la mémoire image » Bornier d'entrée E1

E2

Isolation / Filtrage

+ + -

E3

+ -

E4

+ -

Mémoire Image %IX 0.0

E1

%IX 0.1

E2

%IX 0.2

E3

%IX 0.3

E4

...

….

...

...

Mise à jour de façon ponctuelle, à chaque cycle automate ITII2

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➢ Exemple de Carte D'E TOR (750-400) :

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➢ Exemple de Carte D'E analogiques avec conditionneur pour PT100 (750-461) : Le signal délivré par la sonde est converti (montage 3 fils) en valeur numérique mise à l'échelle au format INT. La température est représentée en 100eme de degrés, sur une plage -200°C / + 200°C.

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➢ Exemple de Carte D'E analogiques 0-10V (750-459) : la gamme de tension [0 V to +10V] est convertie par un CAN 12 bit, puis mise à l'échelle ; la gamme numérique obtenue est [0 ; 32760].

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Mettre en évidence dans le tableau suivant le format des données et la résolution du convertisseur :

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➢ Exemple de Carte D'E analogiques 4-20mA (750-454) :

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Cette borne d’entrées analogiques traite des signaux sur une plage de courant standardisée de 0-20 mA ou de4-20 mA respectivement. Le signal d’entrée est séparé galvaniquement et le transfert à l’unité centrale se fait avec une résolution de 12 bits.

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Interface de sortie : elle permet de commander les préactionneurs et éléments de signalisation du S.A.P. tout en assurant l'isolement électrique entre P.C et P.O.

Mémoire Image des sorties

S1

%QX 0.0

S2

%QX 0.1

S3

%QX 0.2

S4

%QX 0.3

...

….

...

...

Isolation / Amplification Relayage

Bornier de sorties

S1 S2 S3 S4

Variables Bits de du sorties programme

+ + + + -

Mise à jour de façon ponctuelle, à chaque cycle automate

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➢ Exemple de Carte De S TOR à Relais (750-513) :

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➢ Caractéristiques :

La tension commutée par une sortie à Relais peut être une source continue ou alternative

La fréquence de commutation admise est relativement faible ( < 1 Hz)

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➢ Exemple de Carte De S TOR à Transistors (750-501) :

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➢ Cractéristiques :

La tension commutée par une sortie à transistor es nécessairement continue

La fréquence de commutation peut être élevée (plrs kHz)

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➢ Exemple de Carte De S ANA +/-10V :

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Mettre en évidence dans le tableau suivant le format des données et la résolution du convertisseur :

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II / La Programmation IEC 1131-3 La Norme IEC 1131-3 définit les règles d 'écriture des programmes pour les API. Les fabricants d'API fournissent des logiciels de programmation plus ou moins fidèles à cette norme (de plus en plus tout de même). Le logiciel CoDeSys est une plateforme de développement ouverte, multimatérielle utilisée pour programmer les contrôleurs WAGO utilisés en TP. Il obéit aux spécification de la norme CEI 61131-3

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1 / L'adressage des Données. Toute donnée traitée par un programme automate possède : - Une Direction (Entrée, Sortie, Interne) - Un format (Bit, Octet, Mot ...) - Une Adresse (Chiffre indiquant la position de la donnée dans le plan mémoire de l'API). La syntaxe pour toute donnée est la suivante : % 'Direction' . 'Format' . 'Adresse'

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La direction : Une entrée est une valeur, provenant du terrain, qui ne peut être que lue par le programme chargé dans le contrôleur. Notation : %I.x.x Exemple : capteur, détecteur, bouton poussoir etc...

Une sortie est une donnée à destination du terrain, dont la valeur peut être fixée par l'automate. (Remarque : Une sortie peut aussi être lue par le programme) Notation : %Q.x.x Exemple : voyant lumineux, commande d'un contacteur etc...

Une variable interne est une donnée qui n'est pas directement liée au terrain, mais une information gérée par le programme chargé dans l'API. Exemples : valeur d'un compteur, d'une temporisation, étape d'un grafcet …

Notation : %M.x.x ITII2

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Le format : ✔ Un bit est une valeur binaire ou encore booléenne dont la valeur est « VRAIE » (notée TRUE) ou « FAUSSE » (notée FALSE). Notation : %x.X.x.x Exemple : Un voyant lumineux est relié à la 4eme borne de la 1°carte de sorties T.O.R du rack automate. Son état correspondra à la variable booléenne : % Q X 0.3 ✔ Un octet est une donnée codée sur 8 bits Notation : %x.B.x ITII2

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✔ Un mot est une donnée codée sur 16 bit Notation : %x.W.x Exemple : Un capteur de température est relié à la 3eme entrée analogique du rack automate. La valeur numérique correspondante sera stockée dans la variable :

%IW2

✔ Un double mot est une variable codée sur 32 bits Notation : %x.DW.x ITII2

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Les valeurs numériques peuvent être représentées sous formes décimales, hexadécimales (en ajoutant 16# devant la valeur) ou binaires (2#...) exemples :

➔

125 → 125

1A216 → 16#1A2

01102 → 2#0110

En plus du format, on peut définir un type pour les variables internes (liste non exhaustive) : BOOL : valeur booléenne ('TRUE' ou 'FALSE') INT : valeur entière signée sur 16 bits UINT : valeur entière non signée sur 16 bits DINT : valeur entière signée sur 32 bits DUINT : valeur entière non signée sur 32 bits REAL : valeur réelle sur 32 bits TIME : durée définie en h/mn/s/ms

Notation : t # ...h ...m ...s ...ms

DATE : date définie en année/mois/jour

Notation : d # ...-...-...

TIME_OF_DAY : heure du jour définie en h/mn/s

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Notation : tod # ... : ... : ...

DATE_AND_TIME : date & heure

Notation : dt # ...-...-... - ... : ... : ...

STRING : chaîne de caractères.

Notation : ' Ma Chaine ' Automatisme

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Les adresses : Le dernier champ d'adressage d'une donnée est son adresse. Elle est constituée: - de 2 chiffres séparés par un point pour les bits, le 1° indique le n° du mot, le second la position du bit dans ce mot (0 à 15). - d'un seul chiffre pour tous les autres types. Exemple (bit d'entrée) :

%IX0.2

Il s'agit de la 3° entrée (les adresses commencent à 0) de la 1ere carte d'E T.O.R. Exemple (Mot interne) :

%MW42

Il s'agit du mot interne d'adresse 42.

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Déclaration de variables : Un programme doit réaliser des calculs et utilise donc des variables. Ces variables doivent être déclarées en en-tête de celui-ci. Une variable peut être : - une variable d'entrée s'il s'agit d'une variable que le programme utilise (valeur calculée par un autre sous-programme, état d'un capteur...); - une variable de sortie s'il s'agit d'une variable que le programme modifie (affectation d'une sortie, résultat d'un calcul...) - D'une variable interne, si cette variable est uniquement utlisée pour faire un calcul intermédiaire.

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Exemples de déclaration :

variable interne du programme "prog" de type booléen, initialisée à '0' et associée à la sortie physique TOR 4.0. Variable booléenne interne à "prog" initialisée à '1'.

Variable d'entrée du programme "prog", de type "mot" et associée à l'entrée analogique 0. Variable de sortie du programme "prog", de type 'temps', et initialisée à la valeur 1s et 500ms.

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Organisation du projet :

Le Projet CoDeSys contient au minimum le programme PLC_PRG (programme principal), qui peut éventuellement appelé : - des fonctions : une fonction retourne une valeur, et ne peut mémoriser aucune variable entre deux appels. - des programmes : un programme peut posséder des entrées, des sorties et des variables internes qui peuvent être mémorisées entre deux appels. - des blocs fonctionnels : possède les mêmes caractéristiques qu'un programme mais peut être appelé plusieurs fois. Chaque appel consiste en une instanciation du bloc et apparaît comme une déclaration de variable. ITII2

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La norme IEC 1131-3 définit 5 langages de programmation : IL, ST, SFC, LD et FDB.

2 / Langage IL (Instruction List). Il s'agit d'un langage textuel proche du langage machine de l'API. Il s'apparente à l'assembleur d'un microcontrôleur. Ce langage n'est plus trop utilisé à l'heure actuelle. Exemple : Soit l'équation logique suivante →

%Q2.0 ((%I1.0.%I1.5)%I1.4) . %I1.3 ... se traduit par le code suivant :

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3 / Langage ST (Structured Text). Il s'agit d'un langage textuel proche des langages évolués tels que le C. Il s'avère indispensable dès lors que l'on a besoin de faire des traitements numériques par exemple. Exemple : Soit l'équation logique suivante →

%Q2.0 ((%I1.0.%I1.5)%I1.4) . %I1.3 ... se traduit par le code suivant :

%Q2.0 := ( (%I1.0 AND %I1.5) OR %I1.4 ) AND NOT( %I1.3) ;

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➢ Comparaison (alternative IF … ELSE … … END_IF):

Affectation : « := »

➢ Incrémentation d'une variable :

CPT := CPT + 1 ;

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➢ Boucle FOR : FOR i := 0 TO 9 BY 1 DO .............. ; END_FOR;

➢ Boucle WHILE : WHILE condition = TRUE DO .............. ; END_WHILE;

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➢ Opérations Numériques : Le choix du langage ST s'impose dès lors que l'on doit faire des traitements numériques sur des variables. Les opérations de bases sont : - Addition :

Res := Op1 + Op2 ; - Soustraction : - Multiplication : - Division :

Res := Op1 - Op2 ; Res := Op1 * Op2 ; Res := Op1 / Op2 ;

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- modulo :

Res := Op1 MOD Op2 ; - Conversion Entier → Réel :

Nb_Re := INT_TO_REAL ( Nb_ent) ; - Conversion Réel → Entier :

Nb_ent := REAL_TO_INT ( Nb_Re) ; - Conversion Mot → Réel :

Nb_Re := WORD_TO_REAL ( Mot) ; ITII2

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4 / Langage LD (LaDder ). Il s'agit d'un langage graphique que l'on pourra par exemple utiliser pour coder les équations logiques des réceptivités d'un grafcet. Le principe est le suivant : - Les variables d'entrée sont symbolisés par des contacts électriques (NO ou NF), les variables de sortie par des bobines. On considère que l'extrémité gauche du réseau constitue la borne + d'une alimentation (imaginaire) et la partie droite sa borne La mise en série, en // de contacts (variables d'E) NO ou NF permet l'alimentation conditionnelle de la bobine (variable de S), donc L'implantation d'équation logique.

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➢ Opérations logiques de Base :

ET :

OU :

NON :

Exemple : Soit l'équation logique suivante →

%Q2.0 ((%I1.0.%I1.5)%I1.4) . %I1.3 Cette équation se traduit en LD par la ligne suivante :

ITII2

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✔

Mémoire RS : A t

B ✔

Front montant :

t

x

t

A t

x ✔

Front descendant :

t t

A t

x ITII2

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t

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➢ Temporisation : retard à l'activation

A t

TON

x

t

3s

➢ Temporisation : retard au déclenchement

A t

TOF

x 3s

3s

t

➢ Temporisation : monostable

A t

TP

x ITII2

3s

Automatisme

3s

t 52

➢ Compteur décompteur :

Nom

Type

Rôle

CU

BOOL Entrée de comptage (sur front)

CD

BOOL Entrée de dé comptage (sur front)

RESET

BOOL Entrées de remise à zéro

LOAD

BOOL entrée de préchargement

PV

INT

QU

BOOL Sortie, passe à 'TRUE' lorsque CV >=PV

QD

BOOL Sortie, passe à 'TRUE' lorsque CV = 0

CV

INT

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valeur de préchargement

Valeur courante du compteur Automatisme

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5 / Langage FBD (Functionnal Bloc Diagram ). Il s'agit également d'un langage graphique fonctionnant sur le même principe que LD mais avec les symboles s'apparentant à ceux que l'on utilise pour les logigrammes. Exemple : Soit l'équation logique suivante → %Q2.0 ((%I1.0.%I1.5)%I1.4) . %I1.3 Cette équation se traduit en FBD par le diagramme suivant :

%I1.0

AND OR

%I1.5

AND %I1.4

%Q2.0 %I1.3

ITII2

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6 / Langage CFC (Component Functional Chart). Ce langage n'est pas défini par la norme CEI, mais sera utilisé dans l'environnement de programmation CODeSys. Il reprend les éléments utilisés en FBD, mais les symboles peuvent être placés librement sur le schéma (et non pas ligne par ligne comme en FBD). De plus, la plupart des opérateurs définis en ST sont également utilisables (opérations numériques etc...). On ne peut pas l'utiliser pour coder les réceptivités. En revanche, on l'utilisera comme langage de programmation principal qui appellera les différentes tâches.

ITII2

Automatisme

55

Mémoire RS

Comparaisons

Opérations numériques

opérations logiques

Compteurs ITII2

Détection de Fronts Automatisme

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7 / Langage SFC (Sequential Functional Chart ). Il s'agit du langage Grafcet. On l'utilisera pour décrire les différentes tâches séquentielles de l'automatisme. Il est constitué d'étapes auxquelles sont associées des actions. Les étapes sont séparées par des réceptivités. Lorsqu'une étape est active les actions associées à l'étape sont Étape initiale activées. Lorsque la réceptivité qui suit l'étape active devient vraie, l'étape en cours se désactive, et l'étape suivante devient l'étape active. Réceptivité

Important : Il faut toujours respecter l'alternance Étape/transition ITII2

étape Action

Automatisme

57

✔ Étapes : L'étape initiale est matérialisée par un double rectangle A chaque étape correspond un nom unique, auquel seront associées les variables : → "nom.t" : variable de type "TIME" représentant la durée passée dans l'étape nom.t : durée passée dans l'étape → "nom.x" : variable de type "BOOL" représentant l'état de l'étape ('TRUE' si l'étape est en cours, 'FALSE' dans le cas contraire) ITII2

Automatisme

58

✔ Réceptivités :

✔ Actions :

Entrées TOR

Sorties TOR, activées pendant la durée de l'étape (attribut 'N' : normal.

Temporisation

ITII2

Automatisme

59

Les réceptivité sont des valeurs booléennes, qui peuvent apparaître directement sur le grafcet (langage ST). Elles peuvent prendre la forme : - De valeurs booléennes constantes (TRUE ou FALSE) - De variables booléennes simples - De combinaisons logiques ( exemple : (a OR b) AND NOT c ) - De comparaison entre des valeurs numériques ou temporelles (exemples : A > 100, AB, A=5, etape1.t>t#1s500ms) - De combinaisons des éléments précédents Note 1 : il est impossible de réaliser une affectation (:=) dans une réceptivité. Note 2 : il sera également possible d'utiliser les langages LD et FBD pour coder les réceptivités ; dans ce cas chaque réceptivité sera programmée dans une section spécifique. ITII2

Automatisme

60

Les attributs suivants peuvent être associés aux actions en SFC : Attribut

Paramètre

Description

N

Aucun

Action Normale : L'action est activée lorsque l'étape associée est active, et se désactive automatiquement à la sortie de l'étape.

S, R

Aucun

Action Mémorisée : l'attribut « S » (Set) permet de mémoriser l'activation de l'action, celle-ci restera active jusqu'à ce que l'attribut « R » (Reset) soit rencontré dans le grafcet sur la même action.

L

D

ITII2

Durée Action limitée dans le temps : L'action est activée à d'activation : l'entrée dans l'étape, puis désactivée automatiquement au t#..... bout du temps, spécifié (ou à la sortie de l'étape). Temps de retard : t#.....

Action Retardée : L'action est activée avec le retard spécifié après l'entrée dans l'étape.

Automatisme

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Le chronogramme suivant récapitule l’exécution des différents types d'action possibles :

tr0 tr1

t

tr2

t t

Init.X

t

Step2.X

t

Step3.X

t

A

t

B

t

C

t

D 1s ITII2

Automatisme

t 62

✔Structure OU : Alternative. Elle permet d'effectuer un choix entre plusieurs séquences. Notez bien la structure de la divergence et de la convergence.

Divergence

Convergence

ITII2

Automatisme

63

✔ Cas particulier d'utilisation de la branche OU :

saut d'étapes ITII2

Reprise de séquence Automatisme

64

✔Structure ET : Parallélisation. Elle permet d'effectuer un choix entre deux séquences. Notez bien la structure de la divergence et de la convergence.

Divergence

Convergence

ITII2

Automatisme

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✔ Convergence en ET : Synchronisation. Une branche en ET converge généralement au moyen d'étapes vides (sans actions) qui terminent chacune des branche parallèles ; avec une réceptivités en aval de la convergence toujours vraie. Cela permet une exécution des différents cycles parallélisés parfaitement indépendante ; et lorsque tous ces cycles sont achevés, le grafcet reprend sa branche principale

ITII2

Automatisme

66

➢ Variables "drapeau" : Ce sont des variables utilisables dans les programmes et blocs programmés en SFC, définis dans la bibliothèque "iec_sfc.lib", et qui permettent d'agir sur un grafcet. En voici quelques unes (consulter l'aide pour une liste exhaustive) : • SFCReset (BOOL) → Réinitialisation du grafcet (retour à l'étape initiale et arrêt de l’exécution) ●

SFCInit (BOOL) → Retour à l'étape initiale

●

SFCPause (BOOL)  → Figeage du grafcet

●

SFCError → Dépassement du temps maximal affecté à une étape

●

SFCCurrentStep (STRING) → Nom de l'étape SFC en cours

SFCTip, SFCTipMode (BOOL) → Lorsque SFCTipMOde est 'TRUE', le grafcet passe en mode pas à pas, la validation des réceptivités sont alors validées avec SFCTip. ●

ITII2

Automatisme

67

➢ Actions programmées (langage SFC) : En outre, il est également possible de programmer des actions exécutée une seule fois à l'entrée ou à la sortie d'une étape. Ces actions, appelées "actions d'entrée" et "action de sortie" sont effective pendant un seul cycle automate et peuvent être programmées en LD, FBD ou ST :

Action de sortie Action d'entrée

Step2.X Action d'entrée Action de sortie ITII2

t

Exemple de programmation d'action d'entrée en langage ST

t t Automatisme

68

➢ Actions programmées - suite (langage SFC) : Une action programmée peut également être de type continue, c'est à dire éxécutée pendant toute la durée de l'étape (comme une action CEI de type 'N'). Cela permet de coder les actions dans le langage de son choix. On peut utiliser cette méthode pour créer des actions condistionnelles :

Step2.X Cond

t

A

t

ITII2

Automatisme

69

➢ Actions programmées - suite (langage SFC) : L'exemple ci-dessous reprend le fonctionnement précédent mais en kangage LD :

Step2.X Cond

t

A

t

ITII2

Automatisme

70

➢ Appel & Synchronisation de programmes : ➔

Bloc Fonctionnel G1 :

Programme Principal PLC_PRG :

➔

➔

Bloc Fonctionnel G2 :

Étapes de synchronisation

ITII2

Automatisme

71

➔

➔

Bloc Fonctionnel G1 : Déclaration des variables d' E/S

Bloc Fonctionnel G2 : Déclaration des variables d' E/S

ITII2

Automatisme

72

➢ Structures "objets" : On peut également synchroniser l'exemple précédent en utilisant les structures analogues à celles utilisées dans les langages orientés "objet" mises en œuvre dans CoDeSys. On peut ainsi échanger des variables entre programmes. Dans le cas du SFC, pour chaque étape, les 2 variables suivantes sont automatiquement créées : Nom_etape . t : durée d'activité de l'étape (type TIME) Nom_etape . x : activité de l'étape (type BOOL) Pour synchroniser deux grafcets, on pourra donc utiliser : 'PLC_PRG' . 'nom d'instance du bloc' . 'nom de l'étape' . x Si le programme SFC est un bloc fonctionnel, ou bien : 'nom_du_programme' . 'nom de l'étape' . x Si le programme SFC est un programme

ITII2

Automatisme

73

ITII2

Automatisme

74

III / Le Bus de terrain ASi ➢Présentation : Liaison série Multipoint (2 fils) pour relier l'ensemble des capteurs et des préactionneurs à l'automate.

●

Celui-ci possède une carte spécifique appelée « coupleur » et qui est maître de la liaison, c'est à dire capable d'interroger les capteurs et de commander les préactionneurs.

●

Chaque nœud (capteur ou préactionneur) connecté au bus possède sa propre adresse lui permettant d'être identifié par l'automate via le coupleur.

●

Il existe plusieurs protocoles de communication pour les bus capteurs/Actionneurs. Le plus répandu est ASi (Actuator Sensor Interface).

●

ITII2

Automatisme

75

➔

Comparaison Câblage traditionnel / Câblage Bus : API API

E/S

Coupleur

Maître AS-Interface

E/S

Bus

Esclaves (capteurs + préactionneurs)

Câblage « traditionnel » ITII2

Câblage « Bus » Automatisme

76

➢Intérêts des bus capteurs/actionneurs :

ITII2

●

Câblage simplifié

●

Réduction des coûts de maintenance

●

Réduction des coûts et des durées d'installation.

Automatisme

77

➢ Le Câble ASi : Technologie prise vampire : connexion rapide et aisée des capteurs/actionneurs ou modules câble plat codé mécaniquement deux fils pour les données et la puissance Gaine isolante IP67 autocicatrisante inutile de dénuder pour raccorder un nouveau composant sur le bus montage dans toutes les positions

ITII2

Automatisme

78

➢ Alimentation et Signaux électriques sur le bus: : • Transmission par courants porteurs AS Un seul câble pour alimenter les capteurs & actionneurs (jusqu'à 8A) connectés au bus, et le transfert des données.

• Alimentation en mode différentiel (TBTS): Bonne immunité aux perturbations (CEI 1000-4). Redressement V+

Primaire

Alim. + transfert des données

Découplage

=

R

AS-i

L

L V-

+

U alim 30V

30 V= AS-i

-

R

t

Codage Manchester par courant porteur ITII2

Automatisme

79

Bits à coder

0

0

1

0

1

1

1

0

1

Émission

Codage Manchester

Signal après filtrage (Modulation APM)

Réception

détection fronts descendants

détection fronts montants

Bits décodés (RS)

ITII2

Automatisme

80

➢ Système Maître / Esclave :

Asi est basé sur une architecture maître/esclave, avec 1 seul maître pâr bus qui peut initier une communication. Cette technique permet de garantir la durée du temps de cycle (temps nécessaire à l'interrogation de tous les esclaves connectés au bus).

ITII2

Automatisme

81

➢ Polling des esclaves : Le coupleur ASI gère de façon autonome (ou IMPLICITE) la communication avec les esclaves ; il s’agit d’une tâche de fond qui n’est pas accessible au programmeur. Maître

Requête maître Réponse esclave 1

Requête maître

Esclave 1

Esclave 2

Réponse esclave 2

Temps de cycle caractéristique: 5 ms pour 31 esclaves

31 esclaves maximum Requête maître

Esclave n

Réponse esclave n

Requête maître

Esclave 31 Réponse esclave 31

ITII2

Automatisme

82

1 Esclave AS-i supporte:

Maître: polling cyclique des esclaves

4 interfaces logiques (entrées, sorties ou bidirectionnelles) et au besoin, 4 paramètres pour sélectionner un état particulier

Esclave AS-i : adresse de 1 à 31 Requête maître Réponse esclave

•

mise à jour des sorties acquisition de l'état des entrées

Un seul mâitre Asi peut donc gérer jusqu'à 62 x 8 = 496 E/S T.O.R (en Asi v2.0 ou supérieur – 248 pour Asi v1.0)

ITII2

Automatisme

83

Les échanges Maître / Esclave : Ad=4

Ad=3

Ad=1

Ad=2

Mise à jour des sorties

Etat des entrées

1 cycle AS-i Echanges des données d'entrées / sorties

Q. Ad1 R.1

Q. Ad2 R.2

Q. Ad3 R.3

Q. Ad4 R.4

Paramètres

P. Adx R.x

Services

S. Ady

R.y

Q. Ad1 R.1

Maître Esclave ITII2

Automatisme

84

➢ Mise en trame : Requête du maître : ST

CB

A4

A3

A2

A1

A0

5 bits d'adresse esclave (1 à 31) 0 réservé à la fonction adressage automatique

Bit de début ST = 0

I4

I3

I2

I1

5 bits d'information fonction du type de la requête

Bit de contrôle 0 = échange de paramètres, données, définis par I0 à I4 1 = commande définie par I0 à I4

I0

PB

EB

Bit de fin EB = 1 Bit de contrôle de parité paire n'incluant pas le bit de fin

Réponse de l ’esclave : ST

Bit de début ST = 0

I3

I2

I1

4 bits d'information retournée au maître

I0

PB

EB

Bit de fin EB = 1 Bit de contrôle de parité paire n'incluant pas le bit de fin

ITII2

Automatisme

85

Exercice : Calculer la durée minimale d'un cycle de traitement AS-i lorsque le nombre maximum d'esclaves est connecté au maître et vérifier la durée annoncée par les caractéristiques du bus AS-i. Le débit sur la ligne est maximum (170 kBps)

Réponse : Tcycle = (31 + 1 + 1) * (14 + 7) / 170.103 = 4,07 ms < 5ms [Nombre de trames] * [Nombre de bits/trame] / [débit]

ITII2

Automatisme

86

Catalogue des requêtes du maître : Requêtes du maître CB

ITII2

5 bits d'adresse esclave

5 bits d'information

Echange de données

0

A4

A3

A2

A1

A0

0

S3

S2

S1

S0

Ecriture de paramètres

0

A4

A3

A2

A1

A0

0

P3

P2

P1

P0

Ecriture d'adresse

0

0

0

0

0

0

A4

A3

A2

A1

A0

Reset esclave

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

0

0

Reset adresse

1

A4

A3

A2

A1

A0

0

0

0

0

0

Lecture I/O Configuré

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

0

0

0

0

Lecture code ID

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

0

0

0

1

Lecture Status esclave

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

1

0

Lecture et reset Status esclave

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

1

1

Automatisme

87

Catalogue des réponses des esclaves: Réponse esclave 4 bits d'information

ITII2

E3

E2

E1

E0

Ei = entrées esclave

P3

P2

P1

P0

Pi = paramètres renvoyés en écho

0

1

1

0

Ack de l'esclave '6 Transaction 15 ms max

0

1

1

0

Ack de l'esclave '6 Transaction 2 ms max

0

1

1

0

Ack de l'esclave '6

C3

C2

C1

C0

I/O code esclave de '0 à 'F

ID3

ID2

ID1

ID0

ID code esclave de '0 à 'F

St3

St2

St1

St0

Sti = 4 bits d'états de l'esclave

St3

St2

St1

St0

Sti = 4 bits d'états de l'esclave avant RAZ Automatisme

88

Profils ASi. Chaque équipement ASi dispose d'un profil, qui va permettre de garantir l'interopérabilité des produits ASi entre fabricants. Ce profil prend la forme d'une valeur (1 octet), notée en hexadécimal, et définit le comportement de l'esclave sur le bus : - Données d'entrées et de sorties échangées - Paramètres accessibles - Type de capteur / actionneur Ci-après, deux exemples de profils éxistants.

ITII2

Automatisme

89

ITII2

Automatisme

90

ITII2

Automatisme

91

✔

Plan Mémoire du maître ASi :

L'automate crée automatiquement un plan mémoire image pour l'ensemble des entrées, et un autre pour les sortie gérées par le coupleur Asi. Pour une configuration standard, avec le coupleur en première position dans le rack, les esclaves ASi T.O.R seront adressés comme suit dans le programme automate : Bit : %IW4 %QW4 %IW5 %QW5 %IW6 %QW6 %IW7 %QW7 %IW8

15

14

13

12

11

10

9

8

7

5

4

3

2

1

@2

@3

XXX

@1

@6

@7

@4

@5

@10

@11

@8

@9

@14

@15

@12

@13

..........

..........

..........

@16

%QW8

ITII2

6

Automatisme

0

92

Exemples de composant ASi : Structure :

D0 = commutation D1 = signalisation

Une connexion

D2 = état D3 = test P0 =temporisation

Un boîtier

Esclave avec circuit intégré ASInterface

P1 = inversion P2 = distance P3 = fonction spéciale

capteur ou Actionneur

énergie

ITII2

Automatisme

93

Exemple de capteur : Cellule Photoélectrique XUJK... (Schneider) :

Paramètres :  Distance de détection (P1)  Dark-on / Dark-off (P2)

Données :  Détection (entrée I1)  Encrassement lentille (entrée I2)

Alimentation par le bus :

ITII2

AS-i

Automatisme

94

Exemple d'actionneur (pré) : Distriubteur électropneumatique AC2027 (ecomot) :

ITII2

Automatisme

95

interface AS-i pour capteurs/actionneurs conventionnels :

D0 = capteur 1 D1 = capteur 2 D2 = actionneur 1

Un boîtier

Esclave avec circuit intégré ASInterface

D3 = actionneur 2 P0

Auto-surveillance énergie

ITII2

Automatisme

Jusqu’à 4 capteurs ou/et 4 actionneurs

96

ITII2

Automatisme

97

Exemple de maître Asi pour API : Borne WAGO 750-655 pour contrôleur 750-xxx :

ITII2

Automatisme

98

Console d'adressage ASi:

- Adressage des esclaves Asi (Modes A/B), - Fonctions de Diagnostique (Tension Bus etc...), - Lecture des profils ASi, - etc...

ITII2

Automatisme

99

IV / Le Protocole Modbus 







ITII2

1 - Présentation 

1.1 – Objectifs



1.2 – Exemple d’application



1.3 – Types de données



1.4 – Principales fonctions

2 – Supports de Communication 

2.1 – RS232



2.2 – RS485



2.3 – Ethernet



2.4 - Synthèse

3 – Transactions Modbus 

3.1 principe des échanges



3.2 Trames Modbus RTU



3.3 Trames Modbus TCP



Principales fonctions Modbus



Extraits de documentations

Annexes

Automatisme

100

– Objectifs 1 - PRÉSENTATION

 1-1



Groupe Schneider / Merlin Gerin / Télémécanique (Modicon à l’époque) à l’origine du projet



Système de communication basé sur une liaison série



Faire communiquer entre eux différents équipements d’automatisme (automates, variateurs, IHM…)



Echanger des données sous formes de Bits et de Mots



Exemple : Liaison Modbus

Affichage état de l’état fonctionnement IHM @1 ITII2

Ordres de pilotage

API (maître) Automatisme

Variateur de vitesse @2

101

q 1-2

– Exemple d’application q

L’architecture suivante permet la supervision d’une installation électrique destinée à la ventilation d’un local :

q q

4 variateurs de vitesse Schneider ATV61 sont utilisés pour piloter les moteurs d’entraînement des ventilateurs

q q

Un coupleur* Modbus Wago 750-312 muni d’une carte 8 entrées TOR est utilisé pour relevé l’état des disjoncteurs de l’installation. Les contacts auxiliaires des disjoncteurs sont reliés comme suit : q

Q1 (extraction 1) : ED1

q

Q2 (extraction 2) : ED2

q

Q3 (insufflation 1) : ED3

q

Q4 (insufflation 2) : ED4

q

Q0 (général) : ED5

(ED6, ED7, ED8 : N.C)

q q

Un compteur d’énergie communicant Schneider IEM3150 effectue différents relevés (puissance instantanée, énergie consommée, courants, tensions…) q

ITII2

Automatisme

102

Poste de supervision PC + carte réseau Logiciel de supervision utilisant Modbus (TCP) @IP : 192.168.0.100

Réseau Ethernet

Extraction 1 Variateur ATV61 @ Modbus : 1

Passerelle MB Ethernet/RS485 @IP : 192.168.0.101

Extraction 2 Variateur ATV61 @ Modbus : 4

Compteur Energie iem3150 @ Modbus : 5

Liaison RS485**

Insufflation 1 Variateur ATV61 @ Modbus : 2

Insufflation 2 Variateur ATV61 @ Modbus : 3

Surveillance disjoncteurs Coupleur 750-312 Carte 8E TOR @ Modbus : 6

**paramétrage : 19200 Bds, parité paire, 1 bit de STOP ITII2

Automatisme

103

 1-3

– Types de données 

4 types de données sont définis par le protocole: ●

Type d’objet

●

Accès

●

Exemples

●

Discret Inputs

●

Bit

●

R

-

entrées TOR Fin de course Contact auxiliaire de disjoncteur

●

Coils

●

Bit

●

R/W

-

Sorties TOR Bit interne RAZ d’un compteur d’énergie

●

Input Registers

●

Mot

●

R

-

Entrées analogiques Lecture d’un capteur

●

Holding Registers

●

Mot

●

R/W

-

Sorties analogiques Variable d’un programme (ex: temporisation, opérande d’un calcul…) Valeur de paramétrage d’un équipement (ex : consigne de vitesse d’un variateur…)

-

ü Les données d’un équipement sont identifiées par des adresses codées sur 16 bits. ü Exemple (compteur d’énergie Schneider iem3150) : ITII2

Automatisme

104

ITII2

Automatisme

105

 1-4

– Principales Fonctions

Les fonctions Modbus permettent à des équipements d’échanger ces différents types de données : ➢

Code Fonction

➢

Description

➢

1

Lecture de bits (coils)

➢

2

➢

3

➢

4

➢

5

➢

6

➢

Ecriture de 1 mot

➢

15

➢

Ecriture de n bits

➢

16

➢

➢

Lecture de bits d’entrée (discret inputs) ➢

➢

Lecture de mots (holding registers)

Lecture de mots d’entrée (input registers) ➢

➢

Ecriture de 1 bit

Ecriture de n mots

Exemples (installation ventilation du §1.2) : • • •

ITII2

Fixer la vitesse de rotation d’un ventilateur : fonction 6 Relever les mesures du compteur d’énergie : fonction 3 ou 4 Afficher l’état des disjoncteurs : Fonction 1

Automatisme

106

2.1

RS 232 2 – -SUPPORTS DE COMMUNICATION

Vrs232 ‘0’

ü

Liaison Point à Point

ü

3 Fils minimums : Emission (Tx) – Réception (Rx) – Masse/référence commune (Gnd)

ü

Niveaux de tension +12V (‘0’) / -12V (‘1’)

ü

D < 30m ‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

+12V

-12V

ITII2

Automatisme

107



ITII2

Connectique :

Automatisme

108

 2.2

- RS 485 ü

Liaison Multipoints (jusqu’à 63 esclaves en Modbus)

ü

2 Fils minimums : D0 – D1

ü

Transmission différentielle (Niveaux de tension 0V/5V)

ü

D < 120m (1000m avec répéteurs)

VD0 ‘0’

‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

+5V

0V

ITII2

Automatisme

109

Comparaison RS232 / RS 485 :

ITII2

Automatisme

110



Dans tous les cas (RS232 et RS485), on doit définir les paramètres de la communication considérée, et vérifier que le paramétrage soit identique sur toutes les stations : 

Débit binaire (« Baudrate ») : Egalement appelé « vitesse de transmission », Il s’exprime en Bauds (Bds) et correspond au nombre de bots par seconde.

Par défaut, le débit est de 19200 Bds en Modbus. Autres débits usuels : 1200 Bds, 2400 Bds, 4800 Bds, 9600 Bds.



Parité (« Parity ») : Bit de contrôle insérer à la fin de chaque octet transmis vérifiant, selon le paramétrage choisi, que le nombre de bits à ‘1’ dans l’octet est paire (« even ») / impaire (« odd »).

Le contrôle de parité peut aussi être désactivé (« none »)

ITII2



Bit(s) de stop : Un bit de Start à ‘0’est inséré au début de chaque octet à transmettre. L’utilisateur peut également paramétrer 1 ou 2 bits de STOP (à ‘1’) à la fin de celui-ci.



Contrôle de flux : Matériel (utilisation des signaux RTS/CTS), logiciel ou aucun.

Automatisme

111



ITII2

Connectique :

Automatisme

112

 2.3

- Ethernet ü

Liaison Multipoints

ü

4 Fils minimums (2 paires Rx/Tx)

ü

Transmission différentielle (niveaux +/-2V) + codage manchester

ü

D < 100m

Vrx+ ‘0’

‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

‘1’

‘0’

‘0’

‘1’

+2V

-2V

ITII2

Automatisme

113



Connectique (câble rj45 100 base T):

  

 2.4

ITII2

- Synthèse ü

RS232 : Limité à 2 équipements et aux courtes distances.

ü

RS485 : Solution industrielle, bonne immunité aux parasites em, choix pour les connexions dans le TGBT.

ü

Ethernet : Lien vers la supervision

Automatisme

114

3 – TRANSACTIONS MODBUS  3-1

ITII2

– Principe des échanges 

Un échange Modbus est également appelé transaction



Une transaction est composée d’un couple Requête/Réponse



Un réseau Modbus est composé d’un maître et d’un ou plusieurs esclave(s)



Le maître est le seul à pouvoir émettre des requêtes



Les esclaves répondent au maître



Le protocole Modbus définit la composition des trames de requêtes et de réponse

Automatisme

115

 3-2

– Trames Modbus RTU 

La variante RTU de Modbus est la forme la plus utilisée sur lignes séries (RS485 et RS232)



Une trame Modbus RTU comporte les champs suivants :

Rq les trames sont généralement présentées en format hexadécimal

ITII2

Adresse

Code Fonction

Données

CRC

1 octet

1 octet

N octets

2 octets



Adresse : n° d’esclave Modbus



Code fonction : définit le type d’échange (cf § 1.4)



Données : contient les données relatives à la fonction. Pour une lecture : adresse et nombre de données à lire. Pour une écriture : adresse, nombre de valeurs et valeurs à écrire.



CRC : champ de contrôle

Automatisme

116

Transaction sans erreur :

Maître Adresse

➢

1 octet

➢

Code Fonction

➢

➢

1 octet

➢

➢

Données N octets

➢

CRC 2 octets

➢

Esclave Adresse

➢

Idem requête

➢

Maître

➢

Code Fonction

➢

Idem requête

Données

➢

N octets

➢

Adresse

➢

➢

➢

2 octets

➢

➢

Données N octets

➢

➢

Code Fonction D’exception

Code d’exception

Code + 0x80

1 octets 1: ε sur code fct 2 : ε sur adresse 3 : ε sur données

➢

➢

Idem requête

1 octet

➢

Adresse

➢

Code Fonction

➢

1 octet

➢

➢

➢

➢

➢ ➢

ITII2

CRC

Transaction avec erreur :

Maître

Maître

➢

➢

➢

CRC 2 octets CRC

➢

Esclave

2 octets

➢

4 : autre ε

Automatisme

117

o Lecture de l’état des disjoncteurs pour affichage sur le superviseur : ➢

@ Modbus

➢

Code Fct

➢

Adr 1er bit

➢

Nb de bits

➢

CRC XX XX

➢

o Réponse (seul Q3 est ouvert) : ➢

@ Modbus

➢

Code Fct

➢

Nb octets

➢

État des bits

➢

CRC

xxx1 10112 → 1B16 Q0 Q4 Q3 Q2 Q1

o Affichage des vitesses de rotation des 4 ventilateurs sur le superviseur : ● @ Modbus Code Fct Adr 1er mot Nb de mots CRC ●

●

●

●

●

Idem pr les 3 autres ventilateurs avec @Modbus=2,3 et 4 ITII2

XX XX

40110 → 19116 Automatisme

118

o Réponses (Ext1=5,5 Hz, Ext2=15 Hz, Ins1=7Hz, Ins2=22,5Hz)

o Commande du ventilateur d’extraction 2 (Consigne de fréquence = 20 Hz)

o Réponse :

ITII2

Automatisme

119

o Écrire, en binaire, l’ensemble des bits transmis pour le 2° octet de la trame précédente :

o Tracez le chronogramme de la tension différentielle correspondante sur la liaison RS485. : VDiff +5V

0V

ITII2

Automatisme

120

 3-3

– Trames Modbus TCP 

➢

Le protocole Modbus TCP permet l’encapsulation de trames Modbus dans les trames Ethernet :

En-tête Ethernet ➢

22 octets

➢

En-tête IP

➢

●

12 octets

En-tête Modbus

➢

En-tête TCP

➢

24 octets

●

Adresse

●

1 octet

➢

Données

➢

255 octets max

●

●

Code Fonction 1 octet

➢

CRD

➢

4 octets

●

Données

●

N octets

6 octets 

ITII2

Le port 502 est utilisé pour les échanges Modbus sur TCP.

Automatisme

121



Modbus rajoute une en-tête compsée des champs suivants : ●

En-tête Modbus 6 octets

●

Transaction ID ●

2 octets

Protocol ID

●

●

2 octets

Length

●

●

2 octets

Transaction ID : Protocol ID : Length :

ITII2

Automatisme

122

o Lecture des courants pour affichage sur le superviseur:

o Lecture des tensions pour affichage sur le superviseur:

ITII2

Automatisme

123

o Lecture des puissances affichage sur le superviseur:

o Tracez le chronogramme de la tension différentielle correspondante au premier octet utile de cette trame Modbus sur liaison Ethernet 10Mbs : VDiff

0V

ITII2

Automatisme

124

ANNEXES - PRINCIPALES FONCTIONS MODBUS-

Fonction 01 Fonction 02 Fonction 03 Fonction 04 Fonction 05 Fonction 15 Fonction 16

- DOCUMENTATIONS TECHNIQUES - Variateur ATV61 - Coupleur Modbus Wago 750-31x

ITII2

Automatisme

125

ITII2

Automatisme

126

ITII2

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127

ITII2

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128

ITII2

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129

ITII2

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130

ITII2

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131

ITII2

Automatisme

132

ITII2

Automatisme

133

LP MEEDD - UE2D-ARB

ITII2

Automatisme

134

ITII2

Automatisme

135

Variateur de Vitesse ATV61 :

ITII2

Automatisme

136