Cours Automatismes Industriels [PDF]

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DJILLALI LIABES DE SIDI-BEL-ABBES Faculté de Génie Electrique Département d'Électrotechnique

AUTOMATISMES INDUSTRIELS

Niveau 3ième Année Licence Cours rédigé par Dr. R. A.

‫ُ‬ ‫ﺐ ﺃ َﺣ ُﺪﻫُﻢ ﻓﻲ ﻳَﻮ ِﻣ ِﻪ ِﻛﺘﺎﺑﺎ ً ﺇﻻ ﻗﺎ َﻝ ﻓﻲ َﻏ ِﺪ ِﻩ‪،‬‬ ‫» ﺇﻧّﻲ‬ ‫ﺭﺃﻳﺖ ﺃﻧّﻪ ﻣﺎ َﻛﺘَ َ‬ ‫ﻜﺎﻥ ﻳُﺴﺘَﺤﺴﻦ‪ ،‬ﻭﻟَﻮ ﻗُ ﱢﺪ َﻡ‬ ‫ﻙ ﻟَ َ‬ ‫ﻜﺎﻥ ﺃَﺣﺴﻦ ﻭﻟَﻮ ُﺯﻳﱢ َﺪ ﺫﺍ َ‬ ‫ﻟﻮ ُﻏﻴّ َﺮ ﻫﺬﺍ ﻟَ َ‬ ‫ﻜﺎﻥ ﺃﺟﻤﻞ‪ ،‬ﻭﻫﺬﺍ ِﻣﻦ ﺃﻋﻈَ ِﻢ‬ ‫ﻙ ﻟَ َ‬ ‫ﻙ ﺫﺍ َ‬ ‫ﻟﻜﺎﻥ ﺃﻓﻀﻞ‪ ،‬ﻭﻟﻮ ﺗُ ِﺮ َ‬ ‫ﻫﺬﺍ َ‬ ‫ﺺ ﻋﻠﻰ ﺟُﻤﻠَ ِﺔ ﺍﻟﺒَﺸﺮ «‬ ‫ِ‬ ‫ﺍﻟﻌﺒﺮ‪ ،‬ﻭﻫﻮ َﺩﻟﻴ ٌﻞ ﻋﻠﻰ ﺍﺳﺘﻴﻼ ِء ﺍﻟﻨّ ْﻘ ِ‬ ‫ﺍﻟﻘﺎﺿﻲ ﺍﻟﻔﺎﺿﻞ ﻋﺒﺪ ﺍﻟﺮﺣﻴﻢ ﺍﻟﺒﻴﺴﺎﻧﻲ‬

Table des matières Table des matières ...................................................................................................... i Introduction ............................................................................................................... a

Chapitre 01 GENERALITES SUR LES SYSTEMES AUTOMATISÉS 1.1. GENERALITES SUR LES SYSTEMES AUTOMATIQUES................................................... 1 1.1.1 Introduction a l’automatique ......................................................................... 1 1.1.2. Les asservissements .......................................................................................... 2 1.1.3. Systèmes continus et invariants .................................................................... 2 1.2. STRUCTURE DES SYSTEMES AUTOMATISÉS DE PRODUCTION ................................. 3 1.2.1. La partie opérative (PO) ................................................................................ 3 1.2.2. La partie commande (PC) .............................................................................. 4 1.2.3. La partie relation (PR) ................................................................................... 4 1.3. Automatisme et activités industrielle ................................................................... 4 1.3.1. Domaines d’application de l’automatique ....................................................... 4 1.3.2. Structure d’un automatisme ........................................................................... 5 1.3.3. Les technologies actuelles ............................................................................... 6 1.4. PROCESSUS INDUSTRIEL ....................................................................................... 7 1.5. LES DIFFERENTS CONSTITUANTS D’UN PROCESSUS INDUSTRIEL ............................ 7 1.5.1. Système .......................................................................................................... 7 1.5.2. Sous-système .................................................................................................. 7 1.5.3. Différentes structures du système ................................................................... 8 a. Système série............................................................................................. 8 b. Système parallèle ...................................................................................... 8 c. Système série- parallèle ............................................................................. 9 d. Système parallèle-série .............................................................................. 9 1.6. L’EQUIPEMENT D'AUTOMATISME ........................................................................ 10 1.6.1. Les cinq (5) fonctions de base .......................................................................... 10 a. L'alimentation électrique ........................................................................... 10 b. La commande de puissance........................................................................ 10 c. Le dialogue................................................................................................. 10 d. Le traitement ............................................................................................. 11 e. L'acquisition .............................................................................................. 11 1.6.2. L'équipement doit satisfaire aux contraintes externes ..................................... 11

i

Tables des matières 1.6.3. Les liaisons de puissance ................................................................................. 11 1.6.4. Les liaisons de contrôle ................................................................................... 12 1.6.5. Le cycle de vie de l'équipement d'automatisme ............................................... 12 I.6.6. Le coût des équipements ................................................................................. 12 I.6.7. L'évolution du marché et des besoins ............................................................... 12 1.7. L’Organigramme .................................................................................................. 14 1.7. Les technologies des automatismes ...................................................................... 15 1.7.1. Les actionneurs et pré-actionneurs.................................................................. 15 1.7.2. Différentes technologies ................................................................................. 16 1.7.2.1. Technologie Électrique ...................................................................... 16 a. Les actionneurs électriques ............................................................. 16 b. Les pré-actionneurs électriques ...................................................... 16 1.7.2.2. Technologie Pneumatique ................................................................. 17 a. Actionneurs pneumatique............................................................... 17 b. Pré-actionneurs pneumatique......................................................... 18 c. Applications .................................................................................... 19 1.7.2.3. Technologie hydraulique ................................................................... 20 a. Les Actionneurs hydrauliques.......................................................... 20 b. Pré-actionneurs hydrauliques ......................................................... 21 1.7.3. Les capteurs .................................................................................................... 23 1.7.3.1. Les trois (3) types de capteurs ........................................................... 23 a. Les détecteurs (ou capteur Tout Ou Rien (T.O.R.)) ........................... 23 b. Les capteurs analogiques ................................................................ 23 c. Les capteurs numériques (ou codeurs)............................................. 23 1.7.3.2. Détecteur de position mécanique (TOR) ............................................ 24 1.7.3.3.. Détecteur de proximité inductif (TOR) .............................................. 24 1.7.3.4. Détecteur de proximité capacitif (TOR).............................................. 25 1.7.3.5. Détecteur de proximité photoélectrique (TOR) .................................. 25 1.7.3.6. Les trois (3) détections photoélectriques ........................................... 26 1.7.3.7. Critère de choix d’un capteur ............................................................ 26

Chapitre 02 GRAFCET 2.1. Définition GRAFCET .............................................................................................. 27 2.2. Les concepts de base du GRAFCET ........................................................................ 27 a. Etape .................................................................................................................... 27

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Tables des matières b. Actions associées aux étapes ................................................................................ 28 c. Transition ............................................................................................................. 28 d. Liaisons orientées ................................................................................................. 29 2.3. Classification des actions associées aux étapes.............................................................. a. Action conditionnelle simple : Type C .................................................................... b. Action retardée : Type D (delay)............................................................................ c. Action de durée limitée : Type L (limited) .............................................................. d. Action maintenue sur plusieurs étapes ................................................................. e. Action mémorisée................................................................................................. 2.4. Règles d'évolution d'un GRAFCET ..................................................................................

29 30 30 30 30 31 31

2.5. Les structures de base ................................................................................................... 32 a. Notion de Séquence .............................................................................................. 32 b. Saut d’étapes et reprise de séquence .................................................................... 33 c. Aiguillage entre deux ou plusieurs séquences (Divergence en OU) ......................... 33 d. Parallélisme entre deux ou plusieurs séquences (ou séquences simultanées ou divergence– convergence en ET) .............................................................................................. 34 2.5.1. MACRO - REPRÉSENTATIONS EN GRAFCET ............................................................. 34 a. Sous-programme (tâche) ....................................................................................... 34 b. Macro-étape ......................................................................................................... 35 2.5.2. TEMPORISATIONS.................................................................................................. 35 2.5.3. COMPTAGE............................................................................................................ 35 2.5.4. CAS PARTICULIERS ................................................................................................. 36 a. Réceptivité toujours vraie ..................................................................................... 36 b. Evènement (fronts) ............................................................................................... 36 c. Action conditionnelle ............................................................................................ 36 d. Action à l’activation ou à la désactivation ............................................................. 37 2.5.5. FORÇAGE ET FIGEAGE ............................................................................................ 37 2.5.5.1. Forçage ........................................................................................................ 37 2.5.5.2. Figeage ........................................................................................................ 37 a- Dans la situation courante ................................................................................ 37 b- Dans une situation prédéterminée ................................................................... 37 2.5.6. Encapsulation ........................................................................................................ 38 2.6. Mise en œuvre du GRAFCET .......................................................................................... 38 2.6.1. Choix de séquence ................................................................................................ 40 2.6.2. Séquence parallèle ................................................................................................ 40 2.6.3. Réalisation par câblage .......................................................................................... 41 a. Logique combinatoire (portes logique) ............................................................. 41 b. Logique séquentielle (bascule RS) ..................................................................... 42 2.7. Le GRAFCET et les différents ......................................................................................... 42 iii

Tables des matières 2.7.1. Le Grafcet point de vue système ............................................................................ 42 2.7.2. Le Grafcet point de vue partie opérative (PO) ........................................................ 43 2.7.3. Le Grafcet point de vue commande (PC) ................................................................ 43

Chapitre 3 Automates programmables industriels 3.1. Structure d’un calculateur .................................................................................... 46 3.1.1. Circulation de l’information dans un calculateur ............................................. 47 3.1.2. Les mémoires ROM et RAM ............................................................................. 48 3.1.2.1. Classification des mémoires .............................................................. 48 3.1.3. L'ARCHITECTURE DES CALCULATEURS .............................................................. 49 3.1.3.1. L'architecture de Von Neumann ........................................................ 49 3.1.3.2. L'Architecture Harvard ...................................................................... 50 3.2. Les Automates Programmables Industriels ........................................................... 50 3.2.1. Définition........................................................................................................ 50 3.2.2. Aspect physique de l’automate programmable industriel ................................ 51 3.2.3. Structure interne de l’automate programmable industriel ............................... 53 3.2.4. Principe de fonctionnement d’un API .............................................................. 53 3.2.5. Jeu d'instructions ............................................................................................ 61 3.2.5.1. Liste d'instructions (IL : Instruction list) ............................................. 62 3.2.5.2. Langage littéral structuré (ST : Structured Text) ................................. 63 3.2.5.3. Langage à contacts (LD : Ladder diagram) .......................................... 63 3.2.5.4. Blocs Fonctionnels (FBD : Function Bloc Diagram) .............................. 65 3.2.5.5. Le GRAFCET ....................................................................................... 65 3.2.6. Réseaux d'automates ...................................................................................... 65 3.2.6.1. Bus de terrain ................................................................................... 66 3.2.6.2. Différents types de réseaux d'automates........................................... 67 a. Réseau en étoile ............................................................................. 67 b. Réseau en anneau ........................................................................... 67 c. Réseau hiérarchisé .......................................................................... 68

Chapitre 4 GEMMA 4.1. Définition ..................................................................................................................... 4.2. Concepts de base du GEMMA ....................................................................................... 4.3. Structuration du Gemma .............................................................................................. a. Production – hors production ............................................................................... b. Les familles des états de modes de marches et d’arrêts (Les procédures) ..............

71 72 72 72 73 iv

Tables des matières 4.4. EN RESUME LES CONCEPTS DU GEMMA ........................................................................ 75 a. Concept N°1 .......................................................................................................... 75 b. Concept N°2 CRITÈRE DE PRODUCTION ................................................................. 75 c. Concept N°3 .......................................................................................................... 75 4.5. La structuration type des grafcets de commande .......................................................... 76 4.6. Les rectangles état ........................................................................................................ 77 4.7. Notion de boucle opérationnelle................................................................................... 78 4.7.1. Les boucles de fonctionnement ......................................................................... 78 a. Boucle de Marche / Arrêt Normal ....................................................................... 78 a.1. Marche de production à cycles répétés ........................................................ 78 a.2. Marche de production cycle par cycle .......................................................... 79 b. Boucle de Marche Manuelle ............................................................................... 79 b.1. Vérification dans l’ordre .............................................................................. 79 b.2. Vérification dans le désordre ....................................................................... 80 c. La boucle d’Arrêt d’Urgence ................................................................................ 80 d. Les redémarrages ............................................................................................... 80 d.1. À partir d’une situation quelconque ............................................................ 80 d.2. À partir de la situation initiale ..................................................................... 81 4.8. Sélection des modes et des évolutions .......................................................................... 81 4.9. Mise en œuvre du GEMMA ........................................................................................... 82 4.10. Exemples .................................................................................................................... 83 4.10.1. Exemples 01 .................................................................................................... 83

Chapitre 5 Applications en Electrotechnique 5.1. Rappel sur les API ......................................................................................................... 84 5.2. Choix d’un API .............................................................................................................. 86 5.3. Conditions de base ....................................................................................................... 87 5.4. Equipement de programmation .................................................................................... 88 5.5. Logiciel ......................................................................................................................... 90 5.6. Modules d’extension .................................................................................................... 91 5.7. Alimentation ................................................................................................................ 92 5.8. Identification des Entrées/Sorties ................................................................................. 93 5.9. Symboles ...................................................................................................................... 95 5.9.1. Contacteur ........................................................................................................ 95 5.9.2. Bobine .............................................................................................................. 95 v

Tables des matières 5.9.3. Boîte ................................................................................................................. 96 5.10. Saisie d’élément.......................................................................................................... 96 5.11. Opérations logiques .................................................................................................... 96 5.12. Connexion des composants ......................................................................................... 99 5.13. Programme ................................................................................................................. 100 5.14. Exemples .................................................................................................................... 100 5.14.1. Démarrage d’un moteur à courant continu ...................................................... 100 a. Connexion ........................................................................................................ 101 b. Programme ...................................................................................................... 101 c. Amélioration du schéma ................................................................................... 102 5.14.2. Démarrage d’un moteur asynchrone ............................................................... 104 a. Connexion ........................................................................................................ 104 b. Programme ...................................................................................................... 105 c. Amélioration du schéma ................................................................................... 105 5.14.3. Autres exemples.............................................................................................. 107 a. Poste de tri ....................................................................................................... 107 b. Temporisation .................................................................................................. 108 c. Comptage ......................................................................................................... 110

Bibliographie .................................................................................... 113 Annexes ........................................................................................... 117

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CHAPITRE 1 Généralités sur les systèmes automatisés

Chapitre 01 GENERALITES SUR LES SYSTEMES AUTOMATISÉS

Introduction : L’automatique est l’art d’analyser, de modéliser puis de commander les systèmes. C’est aussi celui de traiter l’information et de prendre des décisions. Ses domaines d’application sont aussi nombreux que variés : mécanique, électromécanique, électronique, chimique, biotechnologie, industrie spatiale, industries de transformation, économie, ...etc. Elle est la composante des systèmes techniques, son étude est essentielle pour appréhender les sciences industrielles. Les asservissements linéaires continus (ou systèmes asservis linéaires continus, en abrégé SALC) constituent la branche de l’automatique qui traite les phénomènes physiques sous forme analogique (évolution continue des variables d’un système isolé).

1.1. GENERALITES SUR LES SYSTEMES AUTOMATIQUES 1.1.1 Introduction a l’automatique L'automatique est généralement définie comme la science qui traite des ensembles qui se suffisent à eux-mêmes et où l'intervention humaine est limitée à l'alimentation en énergie et en matière première. L'objectif de l'automatique est de remplacer l'homme dans la plupart des tâches (tâches répétitives, pénibles, dangereuses, trop précises, trop rapides) qu'il réalise dans tous les domaines. Les systèmes automatiques permettent donc :  de réaliser des opérations trop complexes ou délicates ne pouvant être confiés à l'homme,  de se substituer à l'opérateur pour des tâches répétitives,  d'accroître la précision,  d'améliorer la stabilité d'un système et sa rapidité.

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Chapitre 1______

Généralités sur les systèmes automatisés

De tels dispositifs se rencontrent fréquemment dans la vie courante, depuis les mécanismes biologiques du corps humain jusqu'aux usines entièrement automatisées. Une telle science englobe un grand nombre de disciplines et, par conséquent, un automaticien devrait être à la fois : •

Mathématicien

•

Electricien

•

Mécanicien

•

Economiste

Exemple Nous sommes entourés d'un grand nombre de systèmes automatiques, machine à laver, ascenseur, distributeur de boisson, robot, suivi de trajectoire d’un missile. 1.1.2. Les asservissements Un système asservi est un système qui prend en compte, durant son fonctionnement, l'évolution de ses sorties pour les modifier et les maintenir conforme à une consigne. Cette branche de l’automatique se décompose en deux autres sous branches (séparées artificiellement par l'usage) :  Régulation : maintenir une variable déterminée, constante et égale à une valeur, dite de consigne, sans intervention humaine. Exemple : Régulation de température d'une pièce.  Systèmes asservis : faire varier une grandeur déterminée suivant une loi imposée par un élément de comparaison. Exemple : Régulation de la vitesse d'un moteur, Suivi de trajectoire d'un missile. L’asservissement est essentiellement analogique et utilise la partie analogique des trois moyens de base dont on dispose : mécanique, électrotechnique et électronique. La théorie des asservissements nécessite une bonne base mathématique classique. 1.1.3. Systèmes continus et invariants  Système continu : un système est dit continu lorsque les variations des grandeurs physiques le caractérisant sont des fonctions du type f(t), avec t une variable continue, le temps en général. On oppose les systèmes continus aux systèmes discrets (ou échantillonnés), par exemple les systèmes informatiques.  Système invariant : On dit qu’un système est invariant lorsque les caractéristiques de comportement ne se modifient pas avec le temps.

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1.2. STRUCTURE DES SYSTEMES AUTOMATISÉS DE PRODUCTION Les systèmes automatisés, utilisés dans le secteur industriel, possèdent une structure de base identique Figure 1.1. Ils sont généralement conçus pour commander une machine ou un groupe de machines. On appelle cette machine la "partie opérative" du processus, alors que l'ensemble des composants d'automatisme fournissant des informations qui servent à piloter cette partie opérative est appelé "partie commande".

Figure1.1 : Structure d’un automatisme

Ils sont donc constitués de plusieurs parties plus ou moins complexes reliées entre elles: 1.2.1. La partie opérative (PO) C’est la partie visible du système. Elle comporte les éléments du procédé, c’est à dire :  Des pré-actionneurs (distributeurs, contacteurs) qui reçoivent des ordres de la partie commande ;  Des actionneurs (vérins, moteurs, vannes...etc.) qui ont pour rôle d’exécuter ces ordres. Ils transforment l´énergie pneumatique (air comprimé), hydraulique (huile sous pression) ou électrique en énergie mécanique ;  Des capteurs qui informent la partie « commande » de l´exécution du travail. Par exemple, on va trouver des capteurs mécaniques, pneumatiques, électriques ou magnétiques montés sur les vérins. Le rôle des capteurs (ou détecteurs) est donc de contrôler, mesurer, surveiller et informer la partie commande sur l´évolution du système.

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1.2.2. La partie commande (PC) Cette partie gère selon une suite logique le déroulement ordonné des opérations à réaliser. Elle reçoit des informations en provenance des capteurs de la partie opérative, et les restituent vers cette même partie opérative en direction des pré-actionneurs et actionneurs. Cette partie représente le système de contrôle/commande (SCC). 1.2.3. La partie relation (PR) Cette partie est de plus en plus intégrée dans la partie commande. Elle regroupe les différentes commandes nécessaires au bon fonctionnement du procédé, c’est à dire marche/arrêt, arrêt d’urgence, marche automatique,… etc. L'évolution des techniques s'est traduite pour l'automatisation par :  Un développement massif.  Une approche de plus en plus globale des problèmes.  Une intégration dès la conception de l'installation. 1.3. Automatisme et activités industrielle : 1.3.1. Domaines d’application de l’automatique Les automatismes sont présents dans tous les secteurs de l’activité industrielle, et pas seulement dans la fabrication mécanique qui n’emploie que 5% environ des réalisations automatisées. L’évolution très rapide de techniques et de méthodes donne à l’automatique, science d’automatisme, une place sans cesse croissante. Les progrès spectaculaires de la technologie électronique conduisent l’automatique, la cybernétique, l’informatique à s’interfère dans les applications industrielle. Leurs frontières deviennent difficiles à préciser. On distingue néanmoins, trois grands secteurs qui sont : - Les automatismes séquentiels. - L’informatique. - Les régulations et les asservissements. Des nécessités économique exigent un effort de clarification des méthodologies aboutissants à la réalisation technologique peut être définie par : -

L’établissement du cahier des charges aboutissant au tracé du GRAFCET de niveau 1. L’analyse opérationnelle et technologique aboutissant au tracé du GRAFCET de niveau 2. L’analyse des modes de marches et d’arrêts. Le choix de la technologie de commande.

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- La synthèse de la partie commande (tracé du schéma de principe). - Le câblage de l’armoire de commande. L’ordre de ces différents travaux n’est pas strictement chronologique. Il peut subir des modifications, en particulier lorsque la partie commande fait appel à la logique programmée (automate programmable ou informatique). Etude et réalisation d'un automatisme Etablir le cahier des charges Tracer le GRAFCET de niveau 1 Analyse opérationnelle et technologique Tracer le GRAFCET de niveau 2 Analyser les modes de marches et d'arrêts Oui Problème Non Choisir la technologie de commande Etablir le schéma Câbler - mettre au point Fin Figure1.2 : Processus d'étude d'un automatisme

1.3.2. Structure d’un automatisme Plusieurs structures existent, selon qu’il s’agit d’un processus localisé ou non. Deux paries fondamentales distinguent une structure localisée : - La partie opérative : machine ou installation de production. - La partie commande : regroupement de tous les composants de traitement de l’information, utilisé pour faire fonctionner la partie opérative.

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L’information logique transite entre elles, et vers un opérateur (troisième élément de la structure). Cela nécessite des constituants : - Des capteurs, qui transforment les grandeurs physiques (généralement des positions, des vitesses, des pressions,….) en informations destinées à la partie commande. - Des actionneurs, qui transforment les « ordres » de la partie commande en actions de la partie opérative. - Des interfaces d’adaptation du signal, ou de puissance, qui permettent de rendre compatibles tous les signaux donnés ou recevables par chaque partie. Cette structure très simple est adaptée à des machines séquentielles spécifiques autonomes, des installations indépendantes, Dans les cas d’interdépendance entre les différentes installations d’un atelier ou d’une usine : - Processus en cascade. - Processus hiérarchisé. - Processus réparti. Ou dans le cas d’une gestion centralisée, le schéma proposé n’est plus suffisant[2]. 1.3.3. Les technologies actuelles : Quatre technologies se partagent actuellement le « marché » des automatismes séquentiels : -

La pneumatique câblée. L’électromécanique câblée. L’électronique câblée. La programmée (avec les automates programmables et la micro ou mini informatique spécifique).

Actuellement, le transfert d’une solution d’une technologie à l’autre, ne pose aucun problème, grâce à la méthodologie d’étude et de réalisation qui utilise un langage commun, avec le GRAFCET et les séquenceurs notamment. Les réalisations technologiques sont de plus en plus transparentes par rapport au GRAFCET. C’est une caractéristique des automatismes actuels pour lesquels les contraintes économiques interdisent le tâtonnement et les arrêts prolongés en cas de pannes. Le dialogue homme/machine est affiné avec les automates et les processeurs programmés qui affichent et éditent en permanence l’état du système, une progression spectaculaire des systèmes programmables est à envisager. D’autant que les automatismes comportent de plus en plus de fonctions de calcul et de traitements de données.

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Malgré l’importance des interfaces, le coût des systèmes programmés est faible, et leur capacité d’évolution est grande. Une orientation vers la généralisation des systèmes programmés décentralisés et réceptifs à des langages de plus en plus évolués et performants se dessine incontestablement. 1.4. PROCESSUS INDUSTRIEL : D’une façon générale, le processus est la méthode à suivre pour obtenir un produit fini; On y décrit les ingrédients à utiliser, les moyens matériels à prévoir, les opérations à exécuter et les conditions (pression, débit, température, etc.) à respecter pour obtenir le produit à fabriquer, en quantité (capacité de production) et en qualité. Le terme processus désigne deux aspects d'une installation de production, l'un descriptif, l’autre matériel : • aspect descriptif : C'est l'ensemble des opérations détaillées d'élaboration d'un produit fini devant posséder des caractéristiques imposées dans les limites de tolérances fixées, selon un procédé déterminé. • aspect matériel : C’est l'installation proprement dite, comprenant tous les appareils nécessaires à la transformation des matières premières. 1.5. LES DIFFERENTS CONSTITUANTS D’UN PROCESSUS INDUSTRIEL : Le processus industriel est constitué de plusieurs niveaux figure I.3. 1.5.1. Système : Un système est un ensemble d'éléments indépendants orientés vers la réalisation d'un objectif. Tout système fait appel à des composants qui doivent être organisés de façon à former un ensemble cohérent. Chaque composant exécute une fonction différente. 1.5.2. Sous-système : Tout système est inclus dans un système plus vaste et en constitue un sous -système. Deux systèmes différents peuvent avoir une partie commune qui est un sous-système de chacun d’eux.

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Figure1.3 : Les constituants d’un processus industriel

1.5.3. Différentes structures du système a. Système série : Considérons un système de n éléments. Celui-ci est dit de type série si la défaillance de l'un des n composants entraîne la défaillance du système (figure 1.4).

Figure 1.4 : Système à structure série

b. Système parallèle : On parle de système parallèle si la défaillance de l'ensemble des éléments entraînera la défaillance du système (Figure 1.5).

Figure1.5 : Système à structure parallèle

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c. Système série- parallèle : Le système série-parallèle est constitué de i sous-systèmes connectés en parallèle. Chaque sous-système est composé de n éléments placés en série (figure 1.6).

Figure1.6 : Système à Structure Série-Parallèle

d. Système parallèle-série : Le système parallèle-série est constitué de i sous-systèmes connectés en série. Chaque sous-système est composé de n éléments placés en parallèle (Figure 1.7).

Figure1.7 : Système à Structure Parallèle-Série

Exemple : Une chaîne de production composée de deux sous-systèmes Centre Usinage (CU1) et CU2 mise en parallèle et la sortie de cette dernière va vers un stock intermédiaire qui alimente un autre sous-système CU3.

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Figure 1.8 : Exemple d’un système parallèle-série

1.6. L’EQUIPEMENT D'AUTOMATISME : Les progrès des automatismes industriels ont permis aux industriels d'augmenter leur productivité et de réduire les coûts. La généralisation de l'électronique, la puissance et la souplesse des logiciels autorisent des conceptions plus modulaires, une meilleure exploitation et offrent de nouveaux outils de maintenance. Les exigences des clients ont aussi considérablement évolué, la concurrence, les contraintes de productivité et de qualité imposent une démarche évolutive sur les automatismes. Un équipement d'automatisme est caractérisé par cinq fonctions de base associées et reliées par des liaisons de puissance et de contrôle (Figure1.9). 1.6.1. Les cinq (5) fonctions de base : a. L'alimentation électrique : Elle assure la distribution de l'énergie électrique vers les organes de puissance et de contrôle. Elle doit pouvoir être interrompue et protégée en conformité avec les normes d'installation électrique et celles des machines. Cette fonction est généralement assurée par un disjoncteur, ou un interrupteur porte-fusibles. b. La commande de puissance : Elle permet de commander les charges électriques (actionneurs) à partir des ordres émis par l'automatisme. Un contacteur assurera la commande d'une charge en tout ou rien, tandis qu’un variateur électronique permettra la commande progressive d'un moteur ou d'une résistance de chauffage. c. Le dialogue : Il est l'interface entre l'homme et la machine. Il permet de donner les ordres et de visualiser l'état du processus. La commande est assurée par des boutons poussoir, des

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claviers et des écrans tactiles. La visualisation étant faite par des voyants, des colonnes lumineuses et des écrans. d. Le traitement : Il s’agit de la partie logique de l'automatisme qui permet à partir des ordres émis par l'opérateur et des mesures de l'état du processus de commander les pré-actionneurs et de fournir les informations nécessaires. Une large palette s'offre à l'automaticien, depuis la solution la plus simple (un bouton poussoir commande directement un contacteur), en passant par les systèmes à logique programmable, jusqu'à l'association collaborative entre des automates et des ordinateurs. La disponibilité d'automates simples à faible prix a pratiquement fait disparaître les schémas à relais.

Figure1.9 : Les fonctions de base d'un équipement d'automatisme

e. L'acquisition : Elle permet de détecter un seuil ou de mesurer la valeur d'une grandeur physique. A ce jour presque toutes les grandeurs physiques sont détectables ou mesurables. Les progrès technologiques permettent d'offrir un large choix de capteurs. 1.6.2. L'équipement doit satisfaire aux contraintes externes - assurer la sécurité des personnes et des moyens de production, - respecter les exigences de l’environnement telles que la température, la protection contre les chocs, les poussières ou les ambiances agressives. 1.6.3. Les liaisons de puissance Elles assurent la connexion entre les différents organes et comportent des câbles, des jeux de barres, des connecteurs et des protections mécaniques telles que des gaines et des écrans. Les valeurs de courant s'échelonnent de quelques ampères à plusieurs milliers d’ampères.

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Outre les contraintes thermiques, leur calcul doit prendre en compte les contraintes électrodynamiques et mécaniques. 1.6.4. Les liaisons de contrôle Elles permettent la commande et le contrôle de l'automatisme. Le câblage traditionnel par fils séparés est progressivement substitué par des connexions préfabriquées avec des connecteurs et des bus de communication.

1.6.5. Le cycle de vie de l'équipement d'automatisme Un équipement est conçu, utilisé et entretenu tout au long de son cycle de vie. Celui-ci se définit par ces acteurs : leurs besoins, les contraintes internes du client et les contraintes externes (légales, normatives, etc.). Les étapes sont les suivantes : - définition de la machine ou du processus par le client, - choix des équipements d’automatisme, - approvisionnement des constituants, - mise en œuvre, test, - exploitation, - maintenance, - démantèlement, recyclage, destruction. I.6.6. Le coût des équipements La réduction des coûts est une préoccupation à tous les niveaux de choix et de décisions. Elle est très liée au contexte du client. Bien qu’ici nous présentons que l'aspect technique, sa réalisation a été conduite avec un souci permanent d'optimisation économique. I.6.7. L'évolution du marché et des besoins Au cours des dernières années, le marché du contrôle des automatismes a été soumis à de fortes contraintes économiques et technologiques. Les principales priorités des clients sont devenues : - la réduction du temps de mise sur le marché des offres (time to market), - la prolifération des offres dues à la re-conception incrémentale (conception modulaire permettant de commercialiser de nouveaux produits sans refaire toute l'offre) et à la personnalisation,

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- la pression des coûts. Cette donne génère de nouveaux besoins : - réduire le temps de développement et la complexité, - accroître la flexibilité, particulièrement dans le cas des changements de série pour les manufacturiers, - fournir des informations pour la gestion de production et pour la maintenance (réduire les coûts, les temps d'arrêts, etc.). Pour répondre à ces besoins, la fourniture de produits fiables et performants doit être complétée par une offre d'architectures “prêtes à l'usage” qu'utiliseront les acteurs intermédiaires pour spécifier et réaliser la solution adaptée à l'utilisateur final (Figure1.10).

Figure1.10 Les acteurs du marché des automatismes

La fourniture d'architectures valorise les acteurs intermédiaires depuis le distributeur ou grossiste, le fabriquant de tableaux, l'installateur ou le fabriquant de machine. Cette démarche leur permet de répondre plus sûrement, plus justement et plus rapidement aux clients finaux dans différents secteurs d'applications, tel que l'agroalimentaire, l'infrastructure ou le bâtiment par exemple.

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1.7. L’Organigramme : Un organigramme est un mode de représentation graphique du fonctionnement d’un système automatisé. Il permet de représenter les liaisons entre les différentes opérations effectuées par le système [16].  Composition d’un organigramme : Le tableau suivant donne les différents composants d’un organigramme. Tableau 1.1 : Composition d’un organigramme Symbole

Signification Cette case indique le début du fonctionnement

DEBUT

Cette case indique la fin du fonctionnement

FIN

Signal reçu ?

Action à effectuer

Cette case est un test : elle attend une consigne ou une information donnée par un capteur (par exemple : étage sélectionné).On pose toujours une question. Cette case décrit une action (par exemple : allumer le feu rouge). C'est toujours un verbe à l'infinitif. Cette case décrit une entrée donnée ou sortie résultat (par exemple : allumer le feu rouge).

Exemples : Ci-dessous une représentation de l’organigramme de base minimal et un organigramme décrivant le fonctionnement d’un distributeur de boissons chaudes [16].

Figure 1.11 organigramme d’un distributeur de boissons chaudes.

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Exemple de fonctions logiques : S=A.B

S=A+B

1.7. Les technologies des automatismes Avant d’aborder cette section, Il faut connaître certains des éléments de base des trois (3) grandes technologies utilisées dans les automatismes.  Pneumatique  Hydraulique  Électrique 1.7.1. Les actionneurs et pré-actionneurs : Les actionneurs mettent en œuvre le processus de fabrication. Ils font donc partie de la partie opérative (PO) alors que les préationneurs se situent dans la partie commande (PC).

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Définition : Un actionneur est un constituant qui transforme une énergie disponible, prélevée sur une source, en une action, en général mécanique, sur les effecteurs (partie de la PO agissant sur la matière d’œuvre), ou quelquefois directement sur la matière d’œuvre. Les préactionneurs sont des amplificateurs d’énergie qui alimentent les actionneurs: à partir d’une commande à bas niveau d’énergie, ils distribuent et modulent le flux d’énergie nécessaire aux actionneurs. 1.7.2. Différentes technologies On distingue trois technologies: électrique, pneumatique, hydraulique. 1.7.2.1. Technologie Électrique Ces composants utilisent directement l’énergie électrique.

a. Les actionneurs électriques : Selon la nature de l’action sur l’effecteur ou la matière d’œuvre elle-même, il existe plusieurs grands types d’actionneurs électriques : •

Les moteurs rotatifs qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation : moteurs à courant continu, moteurs à courant alternatif (synchrone, asynchrone...), moteurs pas à pas (pour les dispositifs de positionnement à faible puissance.

•

Les moteurs linéaires ou électro-aimants qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique de translation.

•

Les résistances chauffantes qui transforment l’énergie électrique en énergie calorifique [8].

Figure 1.12 : moteurs à courant continu

b. Les pré-actionneurs électriques : Pour alimenter un moteur électrique, il est nécessaire de disposer d’un organe de commutation commandé électriquement par un courant basse tension appelé contacteur (lorsqu’il est commandé manuellement on l’appelle commutateur).

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Un relai est constitué d’une bobine alimentée par un circuit de commande dont le noyau mobile provoque la commutation de contacts pouvant être insérés dans un circuit de puissance. Un contacteur est un relai particulier pouvant commuter de fortes puissances grâce à un dispositif de coupure électrique. Actuellement sont réunis dans un seul boîtier un relais thermique, un contacteur, un disjoncteur... Les variateurs de vitesse font aussi partie des pré-actionneurs électriques [8].

Figure 1.13 : Les pré-actionneurs électriques

1.7.2.2. Technologie Pneumatique : La pneumatique est la technologie de contrôle des gaz sous pression pour générer des forces et des mouvements. Les composants et les systèmes pneumatiques offrent une mise à disposition d’une énergie mécanique alternative à l’électricité dans le domaine de l'automobile, de l'automatisation, de la manipulation mécanique et de l'agroalimentaire. Alors que le moteur électrique offre uniquement un mouvement de rotation, le pneumatique peut assurer également des mouvements de translation. La technologie pneumatique offre également l’avantage d’une énergie sans risque d’arc électrique pour des utilisations dans des zones explosives. Pour un électrotechnicien, la technologie pneumatique englobe tous les composants qui constituent un système dont l’énergie principale est l’air comprimé [17]. a. Actionneurs pneumatique [18]: Les vérins : Les vérins réalisent des mouvements linéaires. Ils sont munis d’un piston avec une tige qui se déplace librement à l’intérieur d’un tube. En fonction du type ils ont un ou deux orifices permettant l’admission ou l’échappement de l’air. La longueur du mouvement définit la course du vérin, le diamètre est lié à la force à exécuter au cours du mouvement. Il existe différents types de vérins :

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 Vérin simple effet : Un seul orifice, il est piloté que dans un sens, le retour s’effectue par l’intermédiaire d’un ressort.

Figure 1.14 : Vérin simple effet

 Vérin double effet : Deux orifices, il doit recevoir une pression dans l’un ou l’autre orifice pour effectuer la sortie ou la rentré de la tige.

Figure 1.15 : Vérin double effet

 Le vérin double-effet offre certaines possibilités impossibles à réaliser avec un vérin simple-effet (amortissement fin de course etc..).  Le vérin simple-effet est plus économique et consomme moins d’air. b. Pré-actionneurs pneumatique :  Les distributeurs : Les distributeurs pneumatiques sont les pré-actionneurs privilégiés des actionneurs pneumatiques (vérins). A chaque type d'actionneur correspond un distributeur pneumatique que l'on caractérise par [14] :  son dispositif de commande (mécanique, électrique ou pneumatique)  sa stabilité (monostable ou bistable)  le nombre d'orifices de passage de fluide qu'il présente dans chaque position.

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 Symbolisation : Le nombre de cases représente le nombre de positions de commutation possibles. Des flèches placées à l’intérieur des boites indiquent le sens de circulation du fluide entre les orifices. Des symboles particuliers indiquent les orifices fermés, la source de pression ou l’échappement. Le nom d’un distributeur indique le nombre d’orifices suivi du nombre de positions [14].

Figure 1.16 : Symbolisation d’un distributeur

c. Applications :  Distributeur 3/2 (3 orifices ; 2 positions) : Ce distributeur permet d’alimenter une canalisation et d’en assurer la mise à l’échappement. Souvent utilisé pour alimenter les vérins simples effet [14].

Figure 1.17 : Distributeur 3/2

 Distributeur 5/2 (5 orifices ; 2 positions) : Il permet d’alimenter alternativement deux (2) canalisations et d’en assurer la mise à l’échappement. Fréquemment utilisé pour alimenter les vérins doubles effets [14].

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Généralités sur les systèmes automatisés

Figure 1.18 : Distributeur 5/2

1.7.2.3. Technologie hydraulique a. Les Actionneurs hydrauliques :  Les vérins

Figure 1.19 : vérin hydraulique

Fonction Transformer l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Les différents types de vérins sont les même que ceux étudiés en pneumatique, seule la représentation diffère (voies d'alimentations noircies, A et B sur les voies) [13].  Les pompes :

Figure 1.20 : pompe hydraulique

Fonction : Générer un débit en transformant de l'énergie mécanique en énergie hydraulique. Elle est un générateur de débit.

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Le principe des pompes utilisées en hydraulique est basé sur la variation de volume entre l'aspiration et le refoulement (volumétrique). La caractéristique principale d'une pompe est sa cylindrée (c'est le volume de fluide aspiré en un tour de pompe), elle s'exprime généralement en cm3/tr. Pour obtenir une variation de volume, on utilise différentes techniques : pompes à engrenage, pompes à palettes, pompes à pistons [13].

Figure 1.21 : les pompes hydrauliques

b. Pré-actionneurs hydrauliques :  LES DISTRIBUTEURS [14]:

Figure 1.22 : Distributeur hydraulique

Fonction Aiguiller le débit vers l’une ou l’autre partie du circuit, autoriser ou bloquer le passage du débit. Constitution Le distributeur est constitué de trois (3) parties : le corps, le tiroir, les éléments de commande. Fonctionnement : Les éléments de commande agissent sur le tiroir et le déplacent vers la droite ou vers la gauche. En se déplaçant, le tiroir met en communication les orifices.

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Chapitre 1______

Généralités sur les systèmes automatisés

Symbolisation [14]: La symbolisation se réalise en deux (2) étapes : - Construction du symbole de base (nombres d’orifices, nombres de positions). - Représentation du type de commande. Construction du symbole de base : Chaque position des éléments de commande interne du distributeur est représentée par une case carrée. Dans chaque case se positionnent des flèches ou des traits qui indiquent les liaisons établies entre les orifices et le sens d’écoulement du fluide. Les canalisations aboutissent à la case représentant la position repos. La lecture de la position « travail » s’obtient en déplaçant par glissement l’autre case du symbole face à la représentation. Exemples :

Figure 1.23 : Exemple d’un distributeur hydraulique

En hydraulique, il existe un grand nombre de possibilités de cases centrales (type 4/3) suivant le fonctionnement désiré. Les plus courantes sont les suivantes :

Figure 1.24 : Exemple de fonctionnement d’un distributeur hydraulique

La majorité des distributeurs hydrauliques sont à deux (2) ou trois (3) positions. L’identification d’un distributeur se fait de la manière suivante : Nombre d’orifices, nombre de positions, type de centre (si trois (3) positions), type de commande, type de rappel ou de maintien. Il peut y avoir plusieurs symboles sur une même représentation.

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Chapitre 1______

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Exemples :

Figure 1.25 : Exemple de plusieurs symboles sur une même représentation

Remarque : La taille d’un distributeur ainsi que la grosseur de ses orifices doit être adapté au débit qui le traverse [14]. 1.7.3. Les capteurs : Rôle: Fournir à la PC des informations sur l’état du système. Il convertit les informations physiques de la PO en grandeurs électriques exploitables par la PC [15]. 1.7.3.1. Les trois (3) types de capteurs [15]: a. Les détecteurs (ou capteur Tout Ou Rien (T.O.R.)) :  Un détecteur fournit une information binaire à la partie commande. (Présence d’une pièce ou non, seuil de température atteinte, Vérin sorti…)  Il existe différentes familles technologiques de détecteurs : mécanique, optique, inductif, capacitif… dont les caractéristiques distinctes sont des éléments de choix. b. Les capteurs analogiques: Un capteur analogique fournit une image électrique (tension 0-10V ou courant 420mA) d’une grandeur physique évoluant continument dans le temps, dans une gamme de variation donnée. c. Les capteurs numériques (ou codeurs) : Les codeurs transmettent des valeurs numériques précisant des positions, des pressions,..., pouvant être lus sur 8, 16, 32 bits.

Figure 1.27 : Exemple de capteur

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Chapitre 1______

Généralités sur les systèmes automatisés

1.7.3.2. Détecteur de position mécanique (TOR) [15]: Utilisation :  Détecteur de position, fin de course.  Détection de présence d’objets solides. Avantage  sécurité de fonctionnement élevée  fiabilité des contacts  bonne fidélité sur les points d'enclenchement (jusqu'à 0,01 mm)  bonne aptitude à commuter les courants faibles combinée à une grande endurance électrique  tension d'emploi élevée  mise en œuvre simple, fonctionnement visualisé  grande résistance aux ambiances industrielles 1.7.3.3.. Détecteur de proximité inductif (TOR) [15]:

Figure 1.28 : Exemple d’un capteur inductif

Utilisation : Ce type de capteur est réservé à la détection sans contact d'objets métalliques. L'objet est donc à proximité du capteur mais pas en contact contrairement à un détecteur de position. Avantages     

Pas de contact physique avec l’objet détecté. Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres. Produit entièrement encapsulé dans la résine donc étanche. Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante.

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Chapitre 1______

Généralités sur les systèmes automatisés

1.7.3.4. Détecteur de proximité capacitif (TOR) [15]:

Figure 1.29 : Exemple d’un capteur capacitif

Utilisation:  Détection à courte distance d’objets métalliques ou non.  Contrôle de niveau de liquide et de poudre dans trémies Avantages :       

Idem que le détecteur inductif mais plus cher et pas de pièces en mouvement. Pas de contact physique avec l’objet détecté. Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. Détecteur statique, pas de pièces en mouvement. Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres. Produit entièrement encapsulé dans la résine donc étanche. Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante.

1.7.3.5. Détecteur de proximité photoélectrique (TOR) [15]:

Figure 1.30 : Exemple d’un capteur photoélectrique

Utilisation: Détection de tout objet opaque. Avantages :  Pas de contact physique avec l’objet détecté.  Pas d’usure ; possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints.  Détection sur de grande distance.

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Chapitre 1______

Généralités sur les systèmes automatisés

 généralement en lumière infrarouge invisible, indépendante des conditions d'environnement.  Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante.

1.7.3.6. Les trois (3) détections photoélectriques [15]: Le tableau suivant récapitule les trois (03) détections photoélectriques Tableau 1.2 : Trois détections photoélectriques

1.7.3.7. Critère de choix d’un capteur[15] :  Ambiance industrielle : Poussiéreuse, humide, explosive…  Nature de la détection  Nombre de cycle de manœuvre.  Nombre et nature des contacts requis  Place disponible…

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CHAPITRE 2 GRAFCET

Chapitre 02 GRAFCET INTRODUCTION Le fonctionnement normal d’un système automatisé étant connu à partir d’un cahier des charges. On cherche à construire un système fiable dans toutes les conditions possibles et imaginables pour cela, il faut créer des grafcets qui serviront de base pour ce système. Ce chapitre est consacré à l’étude suffisamment détaillée des GRAFCETS.

2.1. Définition GRAFCET : Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande par Etapes et Transitions) ou SFC (Sequential Fonction Chart) est un outil graphique qui décrit les différents comportements de l'évolution d'un automatisme et établit une correspondance à caractère séquentiel et combinatoire entre : • Les ENTREES, c'est-à-dire les transferts d'informations de la Partie Opérative vers la Partie Commande, • Les SORTIES, transferts d'informations de la Partie Commande vers la Partie Opérative. C’est un outil graphique puissant, directement exploitable, car c’est aussi un langage pour la plupart des Automates Programmables Industrielles (API) existants sur le marché. Lorsque le mot GRAFCET (en lettre capitale) est utilisé, il fait référence à l’outil de modélisation. Lorsque le mot grafcet est écrit en minuscule, il fait alors référence à un modèle obtenu à l’aide des règles du GRAFCET. 2.2. Les concepts de base du GRAFCET a. Etape : Une étape symbolise un état ou une partie de l’état du système automatisé. L’étape possède deux états possibles : active représentée par un jeton dans l’étape ou inactive. L’étape i, représentée par un carré repéré numériquement, possède ainsi une variable d’état, appelée variable d’étape Xi. Cette variable est une variable booléenne valant 1 si l’étape est active, 0 sinon.

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

Figure 2.1 : différente représentation de l’étape

La situation initiale d'un système automatisé est indiquée par une étape dite étape initiale et représentée par un carré double.

b. Actions associées aux étapes : A chaque étape est associée une action ou plusieurs, c’est à dire un ordre vers la partie opérative ou vers d’autres grafcets. Mais on peut rencontrer aussi une même action associée à plusieurs étapes ou une étape vide (sans action).

Figure 2.2 : les Actions associées aux étapes

c. Transition : Une transition indique la possibilité d’évolution qui existe entre deux étapes et donc la succession de deux activités dans la partie opérative. Lors de son franchissement, elle va permettre l’évolution du système. A chaque transition est associée une condition logique appelée réceptivité qui exprime la condition nécessaire pour passer d’une étape à une autre.

Figure 2.3 : représantation d’une transition

La réceptivité qui est une information d'entrée qui est fournie par : •

l'opérateur : pupitre de commande,

•

la partie opérative : états des capteurs,

•

du temps, d'un comptage ou toute opération logique, arithmétique...

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GRAFCET

•

des grafcets : d'autres grafcets pour la liaison entre grafcets ou de l’état courant des étapes du grafcet (les Xi),

•

d'autres systèmes : dialogue entre systèmes,

Remarque: Si la réceptivité n’est pas précisée, alors cela signifie qu’elle est toujours vraie (=1). d. Liaisons orientées : Elles sont de simples traits verticaux qui relient les étapes aux transitions et les transitions aux étapes. Elles sont normalement orientées de haut vers le bas. Une flèche est nécessaire dans le cas contraire.

Figure 2.4 : Liaisons orientées

2.3. Classification des actions associées aux étapes : L’action associée à l’étape peut être de 3 types : continue, conditionnelle ou mémorisée. Les actions peuvent être classées en fonction de leur durée par rapport à celle de l'étape.  Actions continues :

Figure 2.5 : Actions continues

L'ordre est émis, de façon continue, tant que l'étape, à laquelle il est associé, est active.  Actions conditionnelles: Une action conditionnelle n’est exécutée que si l’étape associée est active et si la condition associée est vraie. Elles peuvent être décomposées en 3 cas particuliers:

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GRAFCET

a. Action conditionnelle simple : Type C

Figure 2.6 : Action conditionnelle simple

b. Action retardée : Type D (delay) Le temps intervient dans cet ordre conditionnel comme condition logique. L'indication du temps s'effectue par la notation générale " t / xi / q " dans laquelle "xi" indique l'étape prise comme origine du temps et "q" est la durée du retard. Exemple: "t /x6/ 5s" : prendra la valeur logique 1, 5 secondes après la dernière activation de l'étape 6 .

Figure 2.7 : Action retardée

c. Action de durée limitée : Type L (limited) L'ordre est émis dès l'activation de l'étape à laquelle il est associé ; mais la durée de cet ordre sera limitée à une valeur spécifiée.

Figure 2.8 : L'ordre "A" est limité à 2s après l'activation de l'étape 4

d. Action maintenue sur plusieurs étapes : Afin de maintenir la continuité d'une action sur plusieurs étapes, il est possible de répéter l'ordre continu relatif à cette action, dans toutes les étapes concernées ou d'utiliser une description sous forme de séquences simultanées (Les séquences simultanées seront traitées ultérieurement).

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GRAFCET

Figure 2.9 : Action maintenue sur plusieurs étapes

e. Action mémorisée : Le maintien d'un ordre, sur la durée d'activation de plusieurs étapes consécutives, peut également être obtenu par la mémorisation de l'action, obtenue par l'utilisation d'une fonction auxiliaire appelée fonction mémoire.

Figure 2.10 : Cette fonction pourra être décrite par un grafcet

2.4. Règles d'évolution d'un GRAFCET : Règle N°1 : Condition initiale A l’instant initial, seules les étapes initiales sont actives. Règle N°2 : Franchissement d'une transition : Pour qu’une transition soit validée, il faut que toutes ses étapes amont (immédiatement précédentes reliées à cette transition) soient actives. Le franchissement d’une transition se produit lorsque la transition est validée, ET seulement si la réceptivité associée est vraie.

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GRAFCET

Règle N°3 : Evolution des étapes actives Le franchissement d'une transition entraîne obligatoirement l'activation de toutes les étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.

Figure 2.11 : Evolution des étapes actives

Règle N°4 : Franchissement simultané Toutes les transitions simultanément franchissables à un instant donné sont simultanément franchies. Règle N°5 : Conflit d’activation Si une étape doit être simultanément désactivée par le franchissement d’une transition aval, et activée par le franchissement d’une transition amont, alors elle reste active. On évite ainsi des commandes transitoires (néfastes à la partie opérative). 2.5. Les structures de base : a. Notion de Séquence : Une séquence, dans un Grafcet, est une suite d'étapes à exécuter l'une après l'autre. Autrement dit chaque étape ne possède qu'une seule transition AVAL et une seule transition AMONT.

Figure 2.12 : Notion de Séquence d’un Grafcet

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b. Saut d’étapes et reprise de séquence : Le saut d'étapes permet de sauter une ou plusieurs étapes lorsque les actions associées sont inutiles à réaliser, La reprise de séquence (ou boucle) permet de reprendre, une ou plusieurs fois, une séquence tant qu'une condition n'est pas obtenue.

Figure 2.13 : Saut d’étapes et reprise de séquence

c. Aiguillage entre deux ou plusieurs séquences (Divergence en OU) : On dit qu'il y a Aiguillage ou divergence en OU lorsque le grafcet se décompose en deux ou plusieurs séquences selon un choix conditionnel. Comme la divergence en OU on rencontre aussi la convergence en OU. On dit qu'il y a convergence en OU, lorsque deux ou plusieurs séquences du grafcet converge vers une seule séquence.

Figure 2.14 : Aiguillage entre deux ou plusieurs séquences (divergence–convergence en OU)

Si les deux conditions a et d sont à 1 simultanément, les étapes 2 et 4 vont devenir actives simultanément, situation non voulue par le concepteur. Donc elles doivent être des conditions exclusives.

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d. Parallélisme entre deux ou plusieurs séquences (ou séquences simultanées ou divergence–convergence en ET) : Au contraire de l’aiguillage où ne peut se dérouler qu’une seule activité à la fois, On dit qu'on se trouve en présence d'un parallélisme structurel, si plusieurs activités indépendantes pouvant se dérouler en parallèle. Le début d'une divergence en ET et la fin d'une convergence en ET d'un parallélisme structurel sont représentés par deux traits parallèles.

Figure 2.15 : Parallélisme entre deux ou plusieurs séquences (divergence–convergence en ET)

La synchronisation permet d’attendre la fin de plusieurs activités se déroulant en parallèle, pour continuer par une seule. 2.5.1. MACRO - REPRÉSENTATIONS EN GRAFCET a. Sous-programme (tâche)

Figure 2.16 : Sous-programme

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

b. Macro-étape

Figure 2.17 : Macro-étape

2.5.2. TEMPORISATIONS La transition 20 - 21 est franchie lorsque la temporisation, démarrée à l’étape 20 est écoulée, soit au bout de 5s.

Figure 2.18 : Temporisation

2.5.3. COMPTAGE Ancienne représentation

Nouvelle représentation (affectation)

Figure 2.19 : Compteur

La transition 20-21 est franchie lorsque le contenu du compteur C1 est égal à 4. Le compteur est incrémenté sur front montant du signal b. Il est remis à zéro à l’étape 21.

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2.5.4. CAS PARTICULIERS a. Réceptivité toujours vraie Ancienne représentation Nouvelle représentation (affectation)

Figure 2.20 : Réceptivité toujours vraie

b. Evènement (fronts)

Figure 2.21 : Front montant –front descendant

La transition 20-21 est franchie lors d’un front montant sur h (cas n°1) ou lors d’un front descendant sur h (cas n° 2) c. Action conditionnelle

Figure 2.22 : Action conditionnelle

L’action K devient effective à l’étape 20, lorsque la condition m est vraie. K=X20.m+X21

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d. Action à l’activation ou à la désactivation L’affectation de A se produit à l’activation de l’étape 30. L’affectation de B se produit à la désactivation de l’étape

Figure 2.23 : Action à l’activation ou à la désactivation

2.5.5. FORÇAGE ET FIGEAGE 2.5.5.1. Forçage

Figure 2.24 : forçage

A l’étape 31 du grafcet G3, il y a forçage du grafcet G2 à l’étape 20. 2.5.5.2. Figeage a- Dans la situation courante

Figure 2.25 : Figeage dans la situation courant

L’activation de l’étape 31 du grafcet G3 fige le grafcet G2 dans sa situation courante. b- Dans une situation prédéterminée

Figure 2.26 : Figeage dans une situation prédéterminée

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37

Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

A la différence du cas précédent, le grafcet G2 se fige à l’étape 21, lorsqu’elle sera active. 2.5.6. Encapsulation

Figure 2.27 : Encapsulation

Une étape encapsulante contient d’autre étapes dites encapsulées. Lorsque l’étape encapsulante est active, son encapsulation peut évoluer librement. La désactivation d’une étape encapsulante provoque la désactivation des étapes appartenant à son encapsulation. 2.6. Mise en œuvre du GRAFCET

Figure 2.28 : partie d’un grafcet

Soit la partie de grafcet représentée par la figure ci-dessus. Pour décrire l’activité de l’étape n, nous utiliserons la notion suivante :

X n = 1  X n = 0

si l' étape n est active si l' étape n est inactive

La réceptivité tn, étant une variable binaire, a pour valeur :

t n = 1  t n = 0

si la réceptivité est vraie si la réceptivité est fausse

Déterminer les variables qui interviennent dans l’activité de l’étape n: Xn=f( ? )

Module :

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

On donne un rappel de la 2ième et la 3ième règle décrites dans la section 2.4. 2ième règle : Une transition est soit validée, soit non validée. Elle est validée lorsque toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives. Elle ne peut être franchie que : - Lorsqu’elle est validée, - ET la réceptivité associée à la transition est VRAIE La traduction de cette règle donne la Condition d’Activation de l’étape n :

CAX n = X n−1 ⋅ t n−1 3ième règle : Le franchissement d’une transition entraîne l’activation de toutes étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes. La traduction de cette règle donne la Condition de Désactivation de l’étape n :

CDX n = X n ⋅ t n = X n +1 Si la CA et CD de l’étape n sont fausses, l’étape n reste dans sont état. C’est-à-dire que l’état de Xn à l’instant t+δt dépend de l’état précédent de Xn à l’instant t. D’après ces trois points précédent, on peut donc écrire: Xn = f (CAXn, Xn, CDXn) Il est alors possible d’écrire la table de vérité de l’activité de l’étape n : Xn Tableau 2.1 : Table de vérité de l’étape Xn

Xn(T)

CAXn

CDXn

Xn(T=δt)

Remarque

0

0

0

0

L’étape reste inactive (effet mémoire)

0

0

1

0

L’étape reste inactive

0 0

1 1

0 1

1 1

Activation de l’étape Activation ET désactivation = activation

1 1

0 0

0 1

1 0

L’étape reste active (effet mémoire) Désactivation de l’étape

1

1

0

1

L’étape reste active

1

1

1

1

Activation ET désactivation = activation

Tableau de Karnaugh associé : Tableau 2.2 : Table de Karnaugh

CAXnCDXn Xn 0 1

Module :

00

01

0 1

0 0

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11 1 1

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10 1 1

39

Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

L’équation de Xn :

X n = CAX n + CDX n ⋅ X n

ou

X n = X n−1 ⋅ t n−1 + X n+1 ⋅ X n

2.6.1. Choix de séquence

Figure 2.29 : Divergence et convergence OU

Etape 7

CAXn X6⋅a

CDXn X10+X20

Etape 31

CAXn X30⋅b

10

X7⋅x

X11

48

X47⋅c

20

X7⋅z

X21

6

X31⋅d + X48⋅e

CDXn X6 X7

2.6.2. Séquence parallèle

Figure 2.30 : Divergence et convergence ET

Etape

CAXn

CDXn

Etape

CAXn

7

X6⋅a

X10.X20

31

X30⋅b

X11

48

X47⋅c

X21

6

X31⋅X48⋅d

10 20

Module :

X7⋅x

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CDXn X6 X7

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

2.6.3. Réalisation par câblage a. Logique combinatoire (portes logique) Equation d’une étape : X n = X n −1 ⋅ t n −1 + X n +1 ⋅ X n

Figure 2.31 : Réalisation de Xn par portes logiques

Une étape de GRAFCET se symbolise alors sous forme d’un module de phase:

Figure 2.32 : Module de phase d’une étape Xn

Exemple: cas d’un grafcet à séquence unique Chaque étape du grafcet sera câblée comme le module de phase d’écrit précédemment. On réalise alors un séquenceur électrique à base de portes logiques.

Figure 2.33 : Module de phase d’un grafcet à séquence unique

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

b. Logique séquentielle (bascule RS) R

Q

S

R 0

S 0

Qt+1 Qt

0

1

1

1 1

0 1

0 -

Figure 2.34 : La bascule RS et sa table de vérité

Remarque: Pour l’état S=R=1, la valeur de la sortie de la bascule est indéterminée. Elle dépend uniquement des composants de fabrication. Si la bascule RS est fabriquée technologiquement avec des portes NOR, il y aura mémoire à désactivation prioritaire et dans le cas de réalisation de bascules RS avec des portes NAND, il y aura mémoire à activation prioritaire (solution retenue pour adapter les bascules RS au grafcet). Application au GRAFCET - La condition d’activation d’une étape est alors câblée sur le SET de la bascule; - La condition de désactivation d’une étape est câblée sur le RESET de la bascule. CDXn

R

CAXn

S

Q

Etape Xn

Figure 2.35 : Module de phase par une bascule RS

2.7. Le GRAFCET et les différents points de vue La description du fonctionnement d'un système par un Grafcet peut prendre plusieurs formes suivant le point de vue, c'est-à-dire suivant la partie que l'on regarde. 2.7.1. Le Grafcet point de vue système : On regarde la matière d'œuvre sur laquelle agit le système et on suit son évolution, étape par étape. Il est de forme littérale ou codée.

Figure 2.36 : grafcet point de vue système

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

2.7.2. Le Grafcet point de vue partie opérative (PO) : On regarde les actionneurs : vérins, moteurs... et les signaux nécessaires aux réceptivités. Il est de forme littérale.

Figure 2.37 : grafcet point de vue PO

2.7.3. Le Grafcet point de vue commande (PC) : On regarde les pré-actionneurs : distributeurs, contacteurs... et les capteurs qui réalisent les réceptivités.

Figure 2.38 : grafcet point de vue PC

Exemple:

Figure 2.39 : grafcet niveau 1 du système

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

Propriétés : –Utilisation du langage courant –Technologie des capteurs et actionneurs non définie.

Figure 2.40 : grafcet niveau 2 du système

Propriétés : –Utilisation de symboles –Prise en compte de la technologie des capteurs et actionneurs Exemple 2: unité de perçage Les perçages sont effectués en même temps après action sur un bouton poussoir Départ Cycle.

Figure 2.41 : Unité de perçage

Représentation selon le point de vue "Système" ou "Processus" (Grafcet Niveau 1)

Figure 2.42 : grafcet niveau 1 du système

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Chapitre 02_____________________________________________________________

GRAFCET

Représentation selon le point de vue "Partie Opérative"

Figure 2.43 : grafcet point de vue PO

Représentation selon le point de vue "Partie Commande" (Grafcet Niveau 2)

Figure 2.44 : grafcet niveau 2 du système

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CHAPITRE 3 Automates programmables industriels

Chapitre 3 Automates programmables industriels

3.1. Structure d’un calculateur

Figure 3.1 : structure générale d’un calculateur

L’élément de base d’un calculateur est constitué par l’unité centrale de traitement (UCT, CPU : Central Processing Unit). L’UCT est constituée :  d’une unité arithmétique et logique (UAL, ALU : Arithmetic and Logic Unit) : c’est l’organe de calcul du calculateur ;  de registres : zones de stockage des données de travail de l’UAL (opérandes, résultats intermédiaires) ;  d’une unité de contrôle (UC, CU : Control Unit) : elle envoie les ordres (ou commandes) à tous les autres éléments du calculateur afin d’exécuter un programme. La mémoire centrale contient :  le programme à exécuter : suite d’instructions élémentaires ;  les données à traiter. L’unité d’entrées/sorties (E/S) est un intermédiaire entre le calculateur et le monde extérieur. L’unité de transfert est le support matériel de la circulation des données. Les échanges d’ordres et de données dans le calculateur sont synchronisés par une horloge qui délivre des impulsions (signal d’horloge) à des intervalles de temps fixes.

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

Définition : un microprocesseur consiste en une unité centrale de traitement (UAL + registres + unité de contrôle) entièrement contenue dans un seul circuit intégré. Un calculateur construit autour d’un microprocesseur est un microcalculateur ou un microordinateur.

Figure 3.2 : Image de quelques microprocesseurs

Remarque : un circuit intégré qui inclut une UCT, de la mémoire et des périphériques est un microcontrôleur.

Figure 3.3 : microcontrôleur

3.1.1. Circulation de l’information dans un calculateur Le microprocesseur échange des informations avec la mémoire et l’unité d’E/S, sous forme de mots binaires, au moyen d’un ensemble de connexions appelé bus. Un bus permet de transférer des données sous forme parallèle, c’est-à-dire en faisant circuler n bits simultanément. Les microprocesseurs peuvent être classés selon la longueur maximale des mots binaires qu’ils peuvent échanger avec la mémoire et les E/S : microprocesseurs 8 bits, 16 bits, 32 bits, ... Le bus peut être décomposé en trois bus distincts :  le bus d’adresses permet au microprocesseur de spécifier l’adresse de la case mémoire à lire ou à écrire ;  le bus de données permet les transferts entre le microprocesseur et la mémoire ou les E/S ;  le bus de commande transmet les ordres de lecture et d’écriture de la mémoire et des E/S.

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

Figure 3.4 : différents types de bus

Remarque : les bus de données et de commande sont bidirectionnels, le bus d’adresse est unidirectionnel : seul le microprocesseur peut délivrer des adresses (il existe une dérogation pour les circuits d’accès direct à la mémoire, DMA). 3.1.2. Les mémoires ROM et RAM On distingue deux types de mémoires :  les mémoires vives (RAM : Random Access Memory) ou mémoires volatiles. Elles perdent leur contenu en cas de coupure d’alimentation. Elles sont utilisées pour stocker temporairement des données et des programmes. Elles peuvent être lues et écrites par le microprocesseur ;  les mémoires mortes (ROM : Read Only Memory) ou mémoires non volatiles. Elles conservent leur contenu en cas de coupure d’alimentation. Elles ne peuvent être que lues par le microprocesseur (pas de possibilité d’écriture). On les utilise pour stocker des données et des programmes de manière définitive. Les mémoires sont caractérisées par leur capacité : nombre total de cases mémoire contenues dans un même boîtier. 3.1.2.1. Classification des mémoires Jusqu’à la fin des années 1970, on utilisait des mémoires à tores magnétiques, lentes et de faibles capacités. Actuellement, on n’utilise plus que des mémoires à semi-conducteurs.

Figure 3.5 : classification des mémoires à semi-conducteurs

Mémoires mortes :  ROM : Read Only Memory. Mémoire à lecture seule, sans écriture. Son contenu est programmé une fois pour toutes par le constructeur. Avantage : faible coût. Inconvénient : nécessite une production en très grande quantité.

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

 PROM: Programmable Read Only Memory. ROM programmable une seule fois par l’utilisateur (ROM OTP : One Time Programming) en faisant sauter des fusibles. Nécessite un programmateur spécialisé : application d’une tension de programmation (21 ou 25 V) pendant 20 ms.  EPROM : Erasable PROM, appelée aussi UVPROM. ROM programmable électriquement avec un programmateur et effaçable par exposition à un rayonnement ultraviolet pendant 30 minutes. Famille 27nnn, exemple : 2764 (8 Ko), 27256 (32 Ko). Avantage : reprogrammable par l’utilisateur.  EEPROM : Electrically Erasable PROM. ROM programmable et effaçable électriquement. Lecture à vitesse normale (≤ 100 ns). Ecriture (= effacement) très lente (≈ 10 ms). Application : les EEPROM contiennent des données qui peuvent être modifiées de temps en temps, exemple : paramètres de configuration des ordinateurs. Avantage : programmation sans extraction de la carte et sans programmateur. Inconvénient : coût élevé. Mémoires vives :  SRAM : Static Random Access Memory. Mémoire statique à accès aléatoire, à base de bascules à semi-conducteurs à deux états (bascules RS). Famille 62nnn, exemple : 62128 (16 Ko). Avantage : très rapide, simple d’utilisation. Inconvénient : compliqué à réaliser.  DRAM : Dynamic RAM. Basée sur la charge de condensateurs : condensateur chargé = 1, condensateur déchargé = 0. Avantage : intégration élevée, faible coût. Inconvénient : nécessite un rafraîchissement périodique à cause du courant de fuite. Application : réalisation de la mémoire vive des ordinateurs (barrettes mémoire SIMM : Single In-line Memory module). 3.1.3. L'ARCHITECTURE DES CALCULATEURS 3.1.3.1. L'architecture de Von Neumann

Figure 3.6 : architecture de Von-Neumann

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

3.1.3.2. L'Architecture Harvard L'université d'Harvard développait une architecture où données et instructions se trouvent dans des mémoires différentes ce qui permet un accès simultané, et donc de meilleures performances en vitesse mais pour un coût plus élevé et une plus grande complexité. Mémoire programme

Unité centrale

Mémoire de données Figure 3.7 : architecture Harvard

3.2. Les Automates Programmables Industriels 3.2.1. Définition API (Automate Programmable Industriel) ou en anglais PLC (Programmable Logic Controller) c’est un appareil électronique programmable par un personnel non informaticien (matériel, logiciel, processus, un ensemble des machines ou un équipement industriel) destiné à la commande de processus industriels par un traitement séquentiel (Il contrôle les actionneurs grâce à un programme informatique qui traite les données d'entrée recueillies par des capteurs). Il est en général manipulé par un personnel électromécanicien.

Figure 3.8 : Automate SIEMENS S5-95U

Les avantages - Améliorer les conditions de travail en éliminant les travaux répétitifs. - Améliorer la productivité en augmentant la production. - Améliorant la qualité des produits ou en réduisant les coûts de production. - Automates programmables sont programmés facilement et ont un langage de programmation facile à comprendre (logique programmé) alors la Modification du programme facile par rapport à la logique câblée.

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

-

Simplification du câblage. Puissance et rapidité. Facilité de maintenance (l'API par lui même est relativement fiable et peut aider l'homme dans sa recherche de défauts). Augmenter la sécurité. Possibilités de communication avec l'extérieur (ordinateur, autre API) énorme possibilité d'exploitation. plus économique

Les inconvénients - Plantage. - Il y a trop de travail requis dans les fils de connexion. - Besoin de formation 3.2.2. Aspect physique de l’automate programmable industriel Les caractéristiques principales d’un automate programmable industriel (API) sont :  coffret, rack, ....  Compact ou modulaire  Tension d’alimentation  Taille mémoire  Sauvegarde (EPROM, EEPROM, pile, …)  Nombre d’entrées / sorties  Modules complémentaires (analogique, communication,..)  Langage de programmation

Figure 3.9 : Aspect extérieur d'un automate S7-200 CPU222

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

Des API en boîtier étanche sont utilisés pour les ambiances difficiles (température, poussière, risque de projection ...) supportant ainsi une large gamme de température, humidité ... L’environnement industriel se présente sous trois formes :  environnement physique et mécanique (poussières, température, humidité, vibrations);  pollution chimique ;  perturbation électrique. (parasites électromagnétiques)

Automate Modulaire

Automate compact (Allen-bradley)

Automate modulaire (Modicon)

Automate modulaire (Siemens) Figure 3.10 : aspect physique de quelques API

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

(1) Module d'alimentation (2) Pile de sauvegarde (3) Connexion au 24V cc (4) Commutateur de mode (à clé) (5) LED de signalisation d'état et de défauts

(6) Carte mémoire (7) Interface multipoint (MPI) (8) Connecteur frontal (9) Volet en face avant

3.2.3. Structure interne de l’automate programmable industriel Bus de Données

Mémoire de Données

Batterie

Unité de traitement CPU µProcesseur

Alimentation

Mémoire Programme

Interface d’Entrée Interface de Sortie

Entrée Sortie

Horloge

Figure 3.10 : structure interne d’un API

Module d'alimentation : il assure la distribution d'énergie aux différents modules. Unité centrale : à base de microprocesseur, elle réalise toutes les fonctions logiques, arithmétiques et de traitement numérique (transfert, comptage, temporisation ...). Le bus interne : il permet la communication de l'ensemble des blocs de l'automate et des éventuelles extensions. Mémoires : Elles permettent de stocker le système d'exploitation (ROM ou PROM), le programme (EEPROM) et les données système lors du fonctionnement (RAM). Cette dernière est généralement secourue par pile ou batterie. On peut, en règle générale, augmenter la capacité mémoire par adjonction de barrettes mémoires type PCMCIA. Interfaces d'entrées / sorties : Interface d'entrée : elle permet de recevoir les informations du S.A.P. ou du pupitre et de mettre en forme (filtrage, ...) ce signal tout en l'isolant électriquement (optocouplage). Interface de sortie : elle permet de commander les divers pré-actionneurs et éléments de signalisation du S.A.P. tout en assurant l'isolement électrique. 3.2.4. Principe de fonctionnement d’un API L'automate programmable fonctionne par déroulement cyclique du programme. Le cycle comporte trois opérations successives qui se répètent normalement comme suit : La durée de ce cycle est typiquement de 1 à 50 ms

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Figure 3.11 : cycle automate

 Avant chaque traitement, l'API lit les entrées et les mémorise durant le cycle automate.  Il calcule les équations logiques de fonctionnement du système en fonction des entrées et d'autres variables internes puis il les mémorise.  Les résultats sont recopiés dans les sorties. Fonctions réalisées : Les automates compacts permettent de commander des sorties en T.O.R et gèrent parfois des fonctions de comptage et de traitement analogique. Les automates modulaires permettent de réaliser de nombreuses autres fonctions grâce à des modules intelligents que l'on dispose sur un ou plusieurs racks. Ces modules ont l'avantage de ne pas surcharger le travail de la CPU car ils disposent bien souvent de leur propre processeur. Principales fonctions des cartes: Cartes d'entrées / sorties : Au nombre de 4, 8, 16 ou 32, elles peuvent aussi bien réaliser des fonctions d'entrées, de sorties ou les deux. Ce sont les plus utilisées et les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...). Les voies peuvent être indépendantes ou posséder des "communs". Les cartes d'entrées : permettent de recueillir l'information des capteurs, boutons ... qui lui sont raccordés et de la matérialiser par un bit image de l'état du capteur. Les cartes de sorties : offrent deux types de technologies : les sorties à relais électromagnétiques (bobine plus contact) et les sorties statiques (à base de transistors ou de triacs). Cartes de comptage rapide : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. Exemple : signal issu d'un codeur de position. Cartes de commande d'axe : Elles permettent d'assurer le positionnement avec précision d'élément mécanique selon un ou plusieurs axes. La carte permet par exemple de piloter un servomoteur et de recevoir les informations de positionnement par un codeur. L'asservissement de position pouvant être réalisé en boucle fermée.

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Cartes d'entrées / sorties analogiques : Elles permettent de réaliser l'acquisition d'un signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est également réalisée. Les grandeurs analogiques sont normalisées : 0-10V ou 4-20mA. Autres cartes : - Cartes de régulation PID - Cartes de pesage - Cartes de communication (Ethernet ...) - Cartes d'entrées / sorties déportées Raccordement de l’alimentation de l’unité de traitement

Figure 3.12 : alimentation d’un API

Q Sectionneur général. KM Contacteur de ligne ou disjoncteur (facultatif). KA Contacteur d’asservissement piloté par la sortie SECU 00,00 en marche auto. Di1 Disjoncteur magnéto-thermique type GB2-CB 08 ou fusible. Di2 Disjoncteur magnéto-thermique type GB2-CB .. ou fusible. Si une adaptation de tension est nécessaire pour la commande des pré-actionneurs, ajouter derrière Di2 un

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

transformateur de tension. Il est conseillé alors de relier un point du secondaire à la borne de terre Gnd. Gnd Borne de terre. Doit être située le plus près possible de chaque borne de terre de protection des modules. RG Masse de référence à relier à la terre usine. (1) Vers bornes d'alimentation des extensions en courant alternatif. (2) Vers schéma circuit de commande. (3) Vers commande des pré-actionneurs des extensions en courant alternatif. (4) Raccordement des terres de protection, à réaliser par un conducteur vert/jaune φ ≥ 2,5mm2, de longueur la plus courte possible. (5) 24VCC interne réservé à l'alimentation des capteurs raccordés au TSX 17 et à celle d'un seul module de sorties analogiques TSX ASG 200. Il est également possible de rencontrer des automates alimentés exclusivement en 24 V continu. Dans ce cas un bloc d’alimentation 240 V CA / 24 V CC doit être utilisé. Exemple de branchement :

Figure 3.13 : Module logique Zelio

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Branchement des Entrées TOR Le principe de raccordement consiste à envoyer un signal électrique vers l'entrée choisie sur l'automate dés que l'information est présente. L'alimentation électrique peut être fournie par l'automate (en général 24V continu) ou par une source extérieure. Un automate programmable peut être à logique positive ou négative. Logique positive Le commun interne des entrées est relié au 0V

Logique négative Le commun interne des entrées est relié au 24V

Détecteur PNP pour automate à logique Positive

Détecteur NPN Pour automate à logique Négative

Pour un automate programmable la charge représente l'entrée Figure 3.14 : logique positive ou négative d’un API

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Chapitre 03___________________________________________________________Automates Programmables Industriels

Le principe de raccordement des entrées est conforme au schéma ci-dessous :

Figure 3.15 : principe de raccordement des entrées sur l’API

Les interfaces et les cartes d’Entrées / Sorties: L’interface d’entrée comporte des adresses d’entrée. Chaque capteur est relié à une de ces adresses. L’interface de sortie comporte de la même façon des adresses de sortie. Chaque préactionneur est relié à une de ces adresses. Le nombre de ces entrées et sorties varie suivant le type d’automate. Les cartes d’E/S ont une modularité de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...).

Variable

Repère

Entrée (I input)

%Ix.i

Sortie (Q output)

%Qx.i

Mémoire bit Mémoire mot Temporisateur Compteur

%M.i %MWi %TMi %Ci

Variable d’étape

%Xi

Désignation X : N° module i : N° de voie X : N° module i : N° de voie i : N° du bit interne i : N° du mot interne i : N° du temporisateur i : N° du compteur X : étape, i : N° étape

Exemple %I1.4 %Q2.3 %M25 %MW11 %TM3 %C4 %X10

Tableau 3.1 : adressage et repérage des variables

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Principe d’adressage ou de localisation des variables

Exemple 1 %MW100 : M (zone mémoire), W (type WORD), 100 (position dans le registre) %M21 : M (zone mémoire), (type EBOOL), 21 (position dans le registre). %S0 : S (zone système), (type BOOL), 0 (position dans le registre) %Ix 0.1.15 : %I (Zone entrée), x (type EBOOL), Rack 0, module 1, voie N°15 Nota, pour le type EBOOL, le préfixe x est facultatif (ex %I0.1.15) Exemple 2 Un automate ayant 8 entrées et 8 sorties, elles seront aux adresses suivantes : Entrées : I0,0 ; I0,1 ; I0,2 ; I0,3 ; I0,4 ; I0,5 ; I0,6 ; I0,7 Sorties : Q1,0 ; Q1,1 ; Q1,2 ; Q1,3 ; Q1,4 ; Q1,5 ; Q1,6 ; Q1,7 Exemple 3 Dans le cas de I’API de Mitsubishi, nous avons des entrées avec les adresses X400, X401, X402, etc., et des sorties avec des adresses Y430, Y431, Y432, etc. La lettre X désigne donné une entrée, tandis que la lettre Y désigne une sortie. Toshiba utilise un système comparable. Dans le cas du modèle PLC-5 d’Allen- Bradley, le rack qui contient le processeur reçoit le numéro 0, tandis que les autres racks possèdent les adresses 1, 2, 3, etc., comme indique par des interrupteurs. Chaque rack peut avoir plusieurs modules, chacun gérant plusieurs entrées et/ou sorties. I : entrée O : sortie

Numéro du module X: X X X / X X Numéro du rack

Numéro du port

Par exemple, nous pouvons avoir une entrée dont l’adresse est 1:012/03. Elle correspond à une entrée, sur le rack 01, le module 2 et le port 03. Pour le modèle SIMATIC S7 de Siemens, les entrées et les sorties sont regroupées par huit. Chaque groupe est un octet et chaque entrée ou sortie d’un groupe est un Les adresses des

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entrées et des sorties sont donc données avec un octet et un bit, ce qui constitue un numéro de module suivi d’un numéro de port, séparés par un point (.). I : entrée Q : sortie

Numéro du bit X X X.X Numéro d’octet

L’adresse 10.1 correspond donc à une entrée sur le bit 1 de l’octet 0, et Q2.0, a une sortie sur le bit 0 de l’octet 2. Exemple 4 Adressage des objets de modules d’entrées / sorties du Modicon M340

Figure 3.16 : exemple d’adressage sur Modicon M340

Cartes d’entrées Elles sont destinées à recevoir l’information en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l’unité de commande de la partie opérative.

Figure 3.17 : Principe des cartes d’entrée

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Cartes de sorties Elles sont destinées à commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système et adapter les niveaux de tensions de l’unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières.

Figure 3.18 : principe des cartes de sortie

L'alimentation électrique Tous les automates actuels sont équipés d'une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entrées sont en 24 V DC et une mise à la terre doit également être prévue. 3.2.5. Jeu d'instructions Chaque automate possède son propre jeux d’instructions. Mais par contre, les constructeurs proposent tous une interface logicielle de programmation répondant à la norme CEI1131-3. Cette norme définit cinq langages de programmation utilisables, qui sont :

langages de programmation Les langages textuels

Les langages graphiques LD: Ladder Diagram ( Diagrammes échelle

FBD : Function Block Diagram ( Logigrammes )

SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet)

IL : Instruction List (Liste d’instructions).

ST : Structured Text (Texte structuré).

Figure 3.19 : langages de programmation utilisables par les API

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3.2.5.1. Liste d'instructions (IL : Instruction list) : Langage textuel de même nature que l'assembleur (programmation des microcontrôleurs). Très peu utilisé par les automaticiens. ! %L0: LD %I1.0 ANDN %M12 OR( %TM4.Q AND %M17 ) AND %I1.7 ST %Q2.5 ! %L5: LD %I1.10 ANDN %Q2.5 ANDN %M27 IN %TM0 LD %TM0.Q AND %M25 AND %MW0:X5 [%MW15:= %MW18+500]

Instructions de test Désignation LD LDN AND ANDN OR ORN XOR, XORN

Fonctions Le résultat est égal à l’opérande (load : lire la valeur). Le résultat est égal à l’inverse de l’opérande (contact ouverture). ET logique entre le résultat et précèdent et l’état de l’opérande. ET logique entre le résultat et précèdent et l’état inverse de l’opérande. OU logique entre le résultat et précèdent et l’état de l’opérande. OU logique entre le résultat et précèdent et l’état inverse de l’opérande. OU exclusif. Instructions d’action

ST STN S R

L’opérande associé prend la valeur de la zone de test. L’opérande associé prend la valeur inverse de la zone de test. L’opérande associé est mis à 1 lorsque le résultat de la zone de test est à 1. L’opérande associé est mis à 1 lorsque le résultat de la zone de test est à 1.

Remarque : L’adresse ou le code opérande est précédé de % Exemple d’écriture

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Tableau 3.2 : langage Liste d’Instruction

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N° de ligne 00 01 02

Instruction

LD OR ST

opérande %I0.03 %I0.01 %O0.03

commentaire Tester l’entrée d’adresse 0.03 OU entre l’entrée (I0.03) et l’entrée I0.01 Donner le résultat logique du OU à la sortie Q0.01

Tableau 3.3 : Exemple d’écriture

3.2.5.2. Langage littéral structuré (ST : Structured Text) Langage informatique de même nature que le Pascal, il utilise les fonctions comme if ... then …else ... (si ... alors ... sinon ...) Peu utilisé par les automaticiens. IF %M0 THEN FOR %MW99:=0 TO 51 DO IF %MW100 [%MW99]0 THEN %MW10:=%MW100 [%MW99]; %MW11:=%MW99; %M1:=TRUE; EXIT; ELSE %M1:=FALSE; END_IF; END_FOR; ELSE %M1:=FALSE; END_IF; 3.2.5.3. Langage à contacts (LD : Ladder diagram) Langage graphique développé pour les électriciens. Il utilise les symboles tels que : contacts, relais et blocs fonctionnels et s'organise en réseaux (labels). C'est le plus utilisé.

Figure 3.20 : langage à contacts

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Figure 3.21 : symbolisation dans le langage à contacts

Un bit étant une mémoire interne logique prenant la valeur 0 ou 1 Une bobine d’enclenchement S « set » et bobine de déclenchement R « reset » correspondent à un relais bistable. En plus des blocs fonctions logiques d’automatisme, il existe les blocs de temporisation, de comptage ... Le réseau à contact s’inscrit entre deux barres verticales représentant la tension d’alimentation

Schéma réel

Schéma à contact

Figure 3.22 : exemple de schéma à contact programmable

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3.2.5.4. Blocs Fonctionnels (FBD : Function Bloc Diagram) Langage graphique ou des fonctions sont représentées par des rectangles avec les entrées à gauche et les sorties à droites. Les blocs sont programmés (bibliothèque) ou programmables. Utilisé par les automaticiens.

Figure 3.23 : blocs fonctionnels

3.2.5.5. Le GRAFCET Langage de spécification, est utilisé par certains constructeurs d'automate (Schneider, Siemens) pour la programmation. Parfois associé à un langage de programmation, il permet une programmation aisée des systèmes séquentiels tout en facilitant la mise au point des programmes ainsi que le dépannage des systèmes. On peut également traduire un grafcet en langage en contacts et l'implanter sur tout type d'automate.

3.2.6. Réseaux d'automates

Figure 3.24: GRAFCET

Figure 3.25 : réseaux d’API

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L'interconnexion entre deux automates peut être réalisée très simplement en reliant une ou plusieurs sorties d'un automate à des entrées de l'autre et vice-versa

Figure 3.26 : interconnexion simple entre deux API

Cette méthode ne permet pas de transférer directement des variables internes d'un automate sur l'autre, de sorte que celles-ci doivent être converties par programme en variables de sortie avant leur transfert. Elle devient coûteuse en nombre d’entrées/sorties mobilisé pour cet usage et lourde du point de vue du câblage, lorsque le nombre de variables qui doivent être échangées devient important. 3.2.6.1. Bus de terrain

Figure 3.27 : Bus de terrain

Plusieurs protocoles de communication et des standards sont apparus pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs / préactionneurs apr exemple le bus ASi (Actuators Sensors interface) est un bus de capteurs/actionneurs de type Maître / Esclave qui permet de raccorder 31 esclaves (capteurs ou préactionneurs) sur un câble spécifique (deux fils) transportant les données et la puissance. Ce bus est totalement standardisé et permet d'utiliser des technologies de plusieurs constructeurs. Le protocole Un protocole consiste en la définition de trames d’échange. Plusieurs protocoles en été définies. Le protocole le plus connu est le protocole Modbus (marque déposée par MODICON) et Profibus (Siemens) qui sont deux protocoles standards de dialogue basé sur une structure hiérarchisée entre un maître et plusieurs esclaves. Mikroelectronika propose aussi un protocole non standard pour communiquer des microcontrôleurs de type PIC, DsPIC, AVR et Intel. Néanmoins l’utilisateur est libre de définir son propre protocole.

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3.2.6.2. Différents types de réseaux d'automates a. Réseau en étoile Un centre de traitement commun échange avec chacune des autres stations. Deux stations ne peuvent pas échanger directement entre elles. Exemple le réseau de terrain BITBUS de la société INTEL

Figure 3.28 : réseau en étoile

Avantages :  Grande vitesse d'échange.  Différent types de supports de transmission.  Pas de gestion d'accès au support. Inconvénients :  Coût global élevé.  Evolutions limitées.  Tout repose sur la station centrale. b. Réseau en anneau Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution est intéressante lorsqu'une station doit recevoir des informations de la station précédente ou en transmettre vers la suivante.

Figure 3.29 : réseau en anneau

Avantages :  Signal régénéré donc fiable.  Contrôle facile des échanges (le message revient à l'émetteur). Inconvénients :  Chaque station est bloquante.  Une extension interrompe momentanément le réseau.

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c. Réseau hiérarchisé C'est la forme de réseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d'utilisation, les informations pouvant circuler entre-stations d'un même niveau ou circuler de la station la plus évoluée (en général un calculateur) vers la plus simple, et réciproquement.

Figure 3.30 : réseau hiérarchisé

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CHAPITRE 4 GEMMA

Chapitre 4 GEMMA INTRODUCTION Pour pouvoir conduire, exploiter, maintenir un système automatisé tout au long de son cycle de vie, il est nécessaire de prévoir, dès sa conception, toutes les situations de marche et d'arrêt. On estime qu’un projet d’automatisation est achevé si on est capable de répondre sans ambiguïté aux questions suivantes :  Comment peut-on mettre en marche ou arrêter son fonctionnement ?  Peut-on prévoir des modes de marches spécifiques pour procéder à son réglage, à sa maintenance ?  Quels critères doit-on prendre pour assurer la sécurité du personnel et du matériel ?  Quelles seront les conséquences d’un arrêt d’urgence sur le personnel et le matériel ?  Après un arrêt d’urgence, dans quelles conditions peut-on remettre le système à nouveau en marche ?  Peut-on prévoir un scénario pour mettre le système en situation de repli en fin de journée pour assurer sa sécurité en d’autres ?  Quelles seront les conséquences de la mise du système « en hors énergie » ? La réponse en d’autres à ces questions apparaît indispensable. En effet, si généralement on souhaite que le système automatisé soit en production automatique, il est nécessaire de connaître précisément tous les autres états de son comportement : ce n’est pas par exemple en appuyant sur le bouton d'arrêt d'urgence que l'on "découvrira" le comportement du système dans cet état et comment sortir de cet état pour remettre le système en marche. On doit par conséquent compléter le Grafcet, outil ayant permis la description du système, par le GEMMA, abréviation qui veut dire : GUIDE D'ETUDE DES MODES DE MARCHE ET D'ARRET. C’est un document graphique qui facilite la conduite, la maintenance et l'évolution du système.

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Chapitre 04_____________________________________________________________

GEMMA

4.1. Définition : Le GEMMA (Guide d'Etude des Modes de Marche et d'Arrêt) est un guide graphique élaboré par l’Agence pour le Développement de la Productique Appliquée (ADEPA) en avril 1981, Il constitue une méthode d’approche des Modes de Marches et d’Arrêts des systèmes, c’est un outil d’aide complémentaire au GRAFCET qui permet d'exprimer de façon claire et complète les besoins en modes de marche et d’arrêt d'un système automatisé. Le GEMMA est un document (outil-méthode) structuré prêt à être rempli par son utilisateur afin de suivre une approche guidée et systématique. C'est un outil de description graphique qui décrit le dialogue entre l'opérateur et la machine. Il aide à la conduite de la machine, à sa maintenance ainsi qu'à son évolution. Comme pour le Grafcet, le Gemma ne présume pas de la technologie de commande.

Figure 4.1 : Dialogue entre les différentes parties du système automatisé

Rappels  Partie opérative= tout ce qui n’est pas l’automatisme Mécanismes, capteurs, actionneurs, dispositifs divers du système, Tout ce qui relève de l’environnement du système (opérateurs humains aussi)  Partie commande = tout ce qui assure le contrôle Les modes de marche et d’arrêt concernent le système, c’est-à-dire la partie opérative + la partie commande, mais vus par la partie commande. On fait l’hypothèse que la partie commande est en ordre de marche, même si la partie opérative est hors état d’énergie ou en défaut ou à l’arrêt.

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GEMMA

4.2. Concepts de base du GEMMA : Le GEMMA définit l'état dans lequel se trouve la partie commande du système automatisé. Dans un premier temps, on peut dire que le GEMMA est divisée en deux zones : •

Partie commande (PC) hors énergie

•

Partie commande sous énergie

Figure 4.2 : Zones "PC sous énergie - PC hors énergie"

Dans la zone PC hors énergie, la partie commande n'est pas alimentée en énergie. Dans cette partie il n'y a pas de modes traités par la partie commande. Seules des actions dites actions réflexes ou externes peuvent se réaliser (blocages par ressorts, retours spontanés ... ). Pour la zone Partie commande sous énergie et selon les besoins du système automatisé à étudier on choisit d'utiliser certains modes de marches et d'arrêts. En effet les modes de marches et d'arrêts ne peuvent être perçus et traités qu'en présence d'une partie commande en ordre de marche. A chacun de ces modes correspond un "rectangle état" disposé sur le graphisme selon une structure précise. 4.3. Structuration du Gemma: a. Production – hors production : Une distinction supplémentaire est faite dans la zone PC sous énergie. On distingue la zone de production et la zone hors production par un double encadrement en pointillés de la zone de production. Les Modes de Marches et d’Arrêts à l'intérieur des pointillés "Production", correspondent à des états pour lesquels la machine produit.

Figure 4.3 : Zones "Production – hors production"

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GEMMA

Le système est en « production » si la valeur ajoutée pour laquelle le système a été conçu est obtenue. Le système est « hors production » dans le cas contraire. La zone de production de trouve à cheval sur les trois types de procédures (Défaillance, Arrêt et Fonctionnement). b. Les familles des états de modes de marches et d’arrêts (Les procédures) : Chaque famille de procédures correspond à une zone du Gemma. On distingue trois familles : •

Les procédures de fonctionnement regroupant les états F. On ne produit pas forcément dans tous les états F, Les modes préparatoires à la production, de réglages ou, de tests, peuvent faire partie de cette famille.

•

Les procédures d'arrêt regroupant les états A, tous les modes conduisant ou traduisant à un état d’arrêt, arrêts normaux et procédures de remise en route.

•

Les procédures de défaillance, regroupant les états D pris en cas de défaillance de la partie opérative.

Figure 4.4 : Les familles des états de modes de marches et d’arrêts

Le guide graphique GEMMA porte les rectangles-états dans lesquels seront exprimés les différents états de Marches et d'Arrêts (M/A) pris par la machine.

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GEMMA

 Les états F : Tableau 4.1 : ETATS F : procédures de fonctionnement Repère

Désignation

Description

F1

Dans cet état la machine produit normalement : c'est l'état pour lequel elle a été conçue. On peut souvent faire correspondre à cet état un grafcet que l'on appelle "grafcet de base". Note : A cet état ne correspond pas nécessairement une marche automatique

F2

Cet état est utilisé pour les machines nécessitant une préparation préalable à la production normale : Préchauffage de l'outillage, remplissage, mises en routes diverses ...

F3

C'est l'état nécessaire pour certaines machines devant être vidées, nettoyées ... en fin de journée ou en fin de série.

F4

Cet état permet de vérifier certaines fonctions ou certains mouvements sur la machine sans respecter l'ordre de déroulement du cycle.

F5