Cours Automatisme CHAP 1 Generalité Des SAP [PDF]

Zitiervorschau

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INTRODUCTION

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Historique – Définitions • Selon les techniciens : « L’automatisation consiste à rendre automatique les opérations qui exigeaient auparavant l’intervention humaine » Encyclopédia Universalis • Une autre définition : « L’automatisation est considérée comme l’étape d ’un progrès technique où apparaissent des dispositifs techniques susceptibles de seconder l’homme, non seulement dans ses efforts musculaires, mais également dans son travail intellectuel de surveillance et de contrôle. » Encyclopédia Universalis

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"Historique" "Depuis toujours l'homme est en quête de bien être". Cette réflexion (qui rejoint la notion de besoin) peut paraître bien éloignée d'un cours de Sciences Industrielles, pourtant c'est la base de l'évolution des sciences en général, et de l'automatisation en particulier. L'homme a commencé par penser, concevoir et réaliser. Lorsqu'il a fallu multiplier le nombre d'objets fabriqués, produire en plus grand nombre, l'automatisation des tâches est alors apparue : remplacer l'homme dans des actions pénibles, délicates ou répétitives.

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Historique – Les industries L’industrie automobile contribue grandement à l’essor de l’automatisation. ◦ Vers 1960 l’industrie automobile a besoin d’un contrôleur reprogrammable pour permettre une plus grande flexibilité des chaînes de production. ◦ C’est la naissance des automates programmables!

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En effet, l'automatisme peut intervenir à tous les stades d'opérations industrielles, dans des domaines aussi divers que les industries de transformations, de fabrication ou de transport, dans les machines-outils ainsi que dans la vie quotidienne (systèmes

d'alarmes,

automatisation

de

parking,

Climatisation….).

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Buts de l’automatisation • Éliminer les tâches répétitives ou sans intérêt (ex: lavage du linge ou de la vaisselle…)

• Simplifier le travail de l'humain (Toute une séquence d’opération remplacée par l’appui sur un poussoir)

• Augmenter la sécurité (Éviter les catastrophes)

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Buts de l’automatisation • Accroître la productivité (cadences de production plus élevées, pas de fatigue)

• Économiser les matières premières et l'énergie (production plus efficace)

• Maintenir la qualité

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Conséquences positives de l’automatisation • Augmentation du taux de production • Diminution du coût d’achat des produits • Uniformité dans les produits manufacturés • Réduction des accidents de travail

☺!

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Conséquences négatives de l’automatisation (…) • Diminution des emplois… • On remarque une diminution de la main d’œuvre par unité produite. – Diminution des emplois pour travailleurs non qualifiés et augmentation des emplois pour les travailleurs qualifiés

• Certains types d’emplois deviennent très monotones et répétitifs. (ex: inspection et surveillance des machines ) AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Exemple d’automatisme : signalisation ferroviaire Le système est en attente Un train arrive Signal lumineux et signal sonore Temporisation de 10 secondes Baisser la barrière et laisser les signaux Barrière baissée Signal lumineux et signal sonore Le train est passé Lever la barrière Barrière levée

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Remarque

Chaque système automatisé est unique. Cependant, ils sont tous construits à partir d’une même structure, cette structure est composée de fonctions élémentaires. Ces fonctions se retrouvent d’un système à l’autre mais peuvent être assurées par des matériels de technologies différentes.

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Quelques exemples

•Un distributeur de boissons

•Un feu de croisement

•L'accès à un parking payant

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•Passage à niveau

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Architecture d’un système automatisé

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STRUCTURE CLASSIQUE

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CIRCULATION DE L’INFORMATION

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Fonction à réaliser DIALOGUER

Appareils pouvant assurer ces fonctions Pupitre (boutons poussoirs, voyants…). Consoles de dialogues avec automate (Terminaux industriels). Ecran vidéo et clavier (type 102 touches).

TRAITER

Relais électromagnétiques.

Carte électronique (circuits logiques, mini-relais). Automate programmable.

Fonctions logiques pneumatiques, Hudraulique (Utilisées lorsque le milieu interdit l’usage de l’électricité ) AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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COMMANDER LA PUISSANCE

PROTEGER

CONVERTIR L’ENERGIE

ACQUERIR LES INFORMATIONS

Contacteurs pour moteurs électriques Variateurs de vitesse pour moteurs électriques. Distributeurs pour vérin pneumatiques ou hydrauliques. Fusibles et relais thermique. Disjoncteurs magnéto thermiques. Moteur électrique.

Ensemble compresseur / vérins (hydraulique ou pneumatique) Capteurs à contact mécanique (Interrupteurs de position). Détecteurs de proximité.

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Réalisation d’un automatisme : A Technologies câblées : - l’automatisme est réalisé par des modules raccordés entre eux - le fonctionnement obtenu résulte du choix de ces modules et du câblage qui les relie - l’automatisme est entièrement personnalisé pour la réalisation matérielle Les éléments permettant la réalisation des automatismes câblés : – relais électromagnétiques – modules logiques pneumatiques – cartes ou modules électriques

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A Technologies programmés : - l’automatisme est réalisé par la programmation des constituants - le fonctionnement obtenu résulte de la programmation effectuée - l’automatisme est personnalisé par le choix matériels mais aussi par la programmation Constituants programmables : – cartes électroniques standards et spécifiques – micro et mini-ordinateurs – automates programmables AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Fonctions et Relations internes d’un SAP

Trois phases existent : • acquisition des informations • traitement des informations • exploitation des informations

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Acquérir des informations Objectif : Fournir à la P.C. les informations relatives à l’état du système;

Contrôler les ordres de la P.C. à la P.O.

Outils : Capteurs

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Commander la puissance Objectif : Exécuter les ordres donnés par la partie commande Trois types d’objets techniques : • l’effecteur • l’actionneur • le préactionneur

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La Chaîne d’action se présente sous la forme:

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Structure d’un automatisme: logique câblé • La partie commande est: - PNEUMATIQUE (séquenceur pneumatique) - ELECTRONIQUE NON PROGRAMMABLE : un circuit imprimé constitué de composants et circuits intégrés électroniques non programmables (portes and, or, nor, nand, . Bascules, mémoires, temporisateurs,.) - Une « armoire » à CONTACTEURS (systèmes à relais électromagnétiques câblés par fils pouvant réaliser ces mêmes fonctions) AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Structure d’un automatisme: logique programmée

La partie commande est : - ELECTRONIQUE PROGRAMMABLE (pour les petits SAP ou domotique) : * à C.I. logiques programmables (ELP, PAL, GAL, .) * à microcontrôleurs * une interface PC - A.P.I (Automate Programmable Industriel) pour les SAP plus conséquents.

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La PC se compose des ensembles suivant: Interfaces d’entrée : transforment les informations issues des capteurs en informations de nature et d’amplitude compatibles avec les caractéristiques technologiques de l’automate. Interfaces de sortie : transforment les informations élaborées par l’unité de traitement en informations de nature et d’amplitude compatibles avec les caractéristiques technologiques des pré actionneurs. Pré actionneurs : sont directement dépendant des actionneurs et sont nécessaires à leur fonctionnement (ex : distributeur pneumatique pour un vérin). Unité de traitement : élabore les ordres destinés aux actionneurs en fonction des informations reçues des capteurs et du fonctionnement à réaliser.

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La Partie Commande d'un système isolé est donc

un

ensemble de composants et de constituants de traitement de l'information, destiné : - à coordonner la succession des actions sur la Partie Opérative, - à surveiller son bon fonctionnement, - à gérer les dialogues avec les intervenants, - à gérer les communications avec d'autres systèmes, - à assurer le traitement des données et des résultats relatifs au procédé, aux matières d’oeuvre, aux temps de production, à la consommation énergétique... (gestion technique). AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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La PO se compose des ensembles suivant : Unité de production : réalise la fabrication ou la transformation Effecteur: ils agit directement sur la matière d’œuvre. Capteurs : créent à partir d’informations des informations utilisables par la PC. Actionneurs : apportent à l’unité de production l’énergie nécessaire à son fonctionnement à partir d’une source d’énergie extérieure (Ex : moteur). Ils peuvent aussi prélever l’énergie sur l’unité de production pour la retourner vers un récepteur d’énergie extérieur (ex : frein) AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Parmi les actionneurs:

Moteurs électriques (CA ou CC) Vérins (pneumatiques ou hydrauliques) Vannes (électriques ou pneumatiques) Éléments chauffants Etc….. AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Structure d’un automatisme (suite) • La partie relation – Panneaux de commande − Voyants, indicateurs − Poussoirs, sélecteurs

– Interfaces Homme-Machine – Alarmes – Etc.

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La partie relation se compose de 2 ensembles : Visualisations et avertisseurs : transforment les informations fournies par l’automate en informations perceptibles par l’homme. Capteurs manuels : transforment les informations fournies par l’homme en informations exploitables par L’automate.

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En résumé, nous pouvons dire que:

La Partie Relation (PR)

comporte le pupitre de dialogue

homme-machine équipé des organes de commande permettant la mise en/hors énergie de l’installation, la sélection des modes de marche, la commande manuelle des actionneurs, la mise en référence, le départ des cycles, l’arrêt d’urgence… ainsi que des signalisations diverses telles que voyants lumineux, afficheurs, écrans vidéo, Klaxons, sonneries, etc.

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Structure d’un automatisme (suite) • Ces trois parties PC , PO, PR comprennent : – Des fonctions ou organes binaires ; – Des fonctions de logique combinatoire ; – Des fonctions de logique séquentielle.

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Composants de la PO Effecteurs Les effecteurs agissent directement sur la matière d’œuvre. L’étude et le choix des effecteurs relève du domaine de la mécanique :

Statique Cinématique Dynamique Résistance des matériaux Mécanique des fluides AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Les actionneurs Le processus à contrôler et à commander comporte généralement des organes (ventilateurs d'un tunnel, circuit d'une chaîne de montage, vérin d'une presse hydraulique…) dont les mouvements sont coordonnés par des actionneurs associés à des adaptateurs mécaniques de mouvements. Les actionneurs transforment une énergie (électrique, pneumatique ou hydraulique) en une énergie mécanique associée à un mouvement. Les actionneurs électriques sont des moteurs pour l'immense majorité. On trouve aussi quelques vérins électriques.

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Les actionneurs pneumatiques et hydrauliques sont des vérins linéaires pour l'immense majorité. On trouve aussi quelques vérins rotatifs.

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Les différents types d’actionneurs :

Les moteurs : asynchrone, brushles, pas à pas, courant continu

Les moteurs linéaires Les vérins pneumatiques Les vérins hydrauliques Les pompes Les vannes AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Exemple d’actionneurs

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Les composants de la Partie commande Les pré-actionneurs Les actionneurs sont commandés par des systèmes électriques de commande (pré-actionneurs) mettant en oeuvre

des

d’électronique

circuits du

d’électronique

signal

analogique

de et

puissance, d’électronique

numérique. Un pré-actionneur a pour fonction de transformer l'énergie issue d'une source (réseau électrique, batteries, compresseur pneumatique ou hydraulique) en une énergie adaptée à l'actionneur pour un mouvement précis. AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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PO: Pré actionneurs Les différents types de pré - actionneurs :

Les contacteurs de puissance Les variateurs de vitesse : moteur courant continu, moteur asynchrone, moteur brushles

Les cartes de commandes : moteur pas à pas

Les commandes de vannes Les distributeurs : pneumatique, hydraulique AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Pour les moteurs électriques, les pré-actionneurs sont des contacteurs ou, couramment aujourd'hui, des variateurs de vitesse.

Contacteur et variateur de vitesse

Distributeurs électro-pneumatiques

Les pré-actionneurs respectifs des vérins pneumatiques et hydrauliques sont les distributeurs électropneumatiques et électrohydrauliques. - Les autres éléments de la partie commande que nous verrons plus tard dépendent du choix de la logique utilisée, programmée ou câblée AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Tâches et outils dans un automatisme • Les tâches de l’automaticien sont : – de comprendre ; – de concevoir.

• Ses outils sont : – Le GRAFCET ; – Le GEMMA ; – Des guides de choix technologiques.

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Structure d’un automatisme • Les spécifications techniques – Fonctionnelles : − Description du comportement de la partie commande vis-à-vis la partie opérative et du monde extérieur ; − On ne préjuge en aucune façon des technologies qui seront mises en œuvre.

– Outil correspondant : Le GRAFCET

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Structure d’un automatisme • Le GRAFCET – Acronyme de GRAphe Fonctionnel de Commande d’Étape-Transition – Représentation graphique des divers états de fonctionnement – Considère le cas idéal : pas de problèmes, pas de défaillances…

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Structure d’un automatisme • Les spécifications techniques – Opérationnelles : − Se rapportent au fonctionnement de l’automatisme au cours de l’exploitation et tient compte des arrêts et défaillance. – Outil correspondant : Le GEMMA

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Structure d’un automatisme • Le GEMMA – Acronyme de Guide d’Étude des Modes de Marches et d’Arrêts – Représentation graphique des divers états de fonctionnement, d'arrêt et de défaillance d'un automatisme. – Spécifications opérationnelles : − Fiabilité, disponibilité, maintenance ; − Dialogue homme-machine. AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Objectifs de production :

l’automatisation

des

systèmes

de

- Réduction des frais de main d’oeuvre, économie de matière et d’énergie - Suppression des travaux dangereux ou pénibles à Meilleure qualité du produit - Améliorer les performances , et donc réaliser des opérations impossible à contrôler manuellement ou intellectuellement Systèmes automatisés de production (SAP)

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Départ: Génie Industriel AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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4 familles de constituants d’automatismes

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les Capteurs Les capteurs transforment une grandeur physique (température, débit, niveau, vitesse …) en une grandeur électrique. Les différents types de sortie :

Les sorties analogiques : 0 – 20 mA, 0 – 10 V Les sorties Tout Ou Rien : elles délivrent un niveau logique 0 ou 1

Les sorties numériques : elles délivrent une information sur plusieurs bits et dans un certain code (BCD, Code Gray, …)

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Les capteurs créent à partir d’informations de natures diverses, prises sur l’unité de production, des informations utilisables par la partie de commande afin que celle-ci puisse les traiter et envoyer les informations convenables aux différents actionneurs. Les informations ont pour origine : unité de production = capteurs d’automatisme, opérateur ou dépanneur = capteurs manuels

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Exemples de capteurs

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Commande câblée VS commande programmable Commande

à mémoire programmé

PROGRAMME

câblage

Automate programmable

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Le choix du type de logique pour résoudre un problème dépend de plusieurs critères:

Complexité Coût Evolutivité Rapidité

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Avantages LOGIQUE PROGRAMMÉE

LOGIQUE CÂBLÉE

Souplesse et adaptabilité de l’installation

Automatisme simple et rapide à mettre en œuvre

Solution compact

Obligatoire pour le traitement d’arrêt d’urgence et de sécurité

Inconvénients Plus cher

Solution rigide

Incompatibilité entre familles d’automate

Rapidement volumineux

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Application Logique programmée Remplacement de logique à relais

Commande de machines Machines outil Convoyage, stockage Emballage Machines de chantier, engin de levage

Régulation de processus Chimie, pétrochimie, pharmaceutique Traitement des eaux Thermique, fours, métallurgies

Automatisme du bâtiment Chauffage, climatisation, sanitaire Distribution électrique, éclairage Sécurité, alarmes techniques

Contrôle de systèmes Production et distribution d’énergie (électricité, pétrole, gaz) Transports (chemin de fer, routier, marine)

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Avant l'apparition des automates, les automaticiens utilisaient des relais et leurs contacts auxiliaires pour mémoriser des états et ainsi réaliser des cycles séquentiels. La réalisation était bien moins conviviale mais surtout peu évolutive car toute modification de cycle entraînait une modification de câblage.

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Départ: Génie Industriel AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Départ: Génie Industriel AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Départ: Génie Industriel AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Départ: Génie Industriel AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Exemple La logique câblée : Exemple: X = (a.b)+c L’automatisme est obtenu en reliant entre eux les différents constituants de base ou fonctions logiques par câblage. La logique câblée correspond à un traitement parallèle de l’information. Plusieurs constituants peuvent être sollicités simultanément.

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Représentation de la partie commande (PC) dans le cadre des systèmes à événements discrets

La représentation mathématique est peu pratique à utiliser en tant qu’outil de représentation et de synthèse. La représentation graphique est plus facile à utiliser Principales représentation graphiques : • Schéma à contacts ou diagrammes en échelle (Ladder) • Logigramme • Chronogramme • Organigramme • GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etape-Transition) objet de la première partie du cours AUTOMATISME INDUSTRIEL M.ILBOUDO

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Conclusion Bien qu’il y’ait une évolution dans les automates le traitement de certaines fonctions se fait en logique câblée soit pour des raisons de sécurité soit pour des raison de simplicité

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