Introduction Automatisme 1 [PDF]

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INTRODUCTION A L’AUTOMATISMEET AUX CONCEPTS NUMERIQUES

INTRODUCTION A L’AUTOMATISME ET AUX CONCEPTS NUMERIQUES A- INTRODUCTION A L’AUTOMATISME I. Définition Un automatisme est un sous-ensemble de machine(s) destiné à remplacer de façon automatisée une action ou décision habituelle et prédéfinie sans intervention de l'être humain. Il consiste en l’étude de la commande de systèmes industriels.Les techniques et méthodes d’automatisation sont en continuelle évolution ; ellesfont appel à des technologies : électromécaniques, électronique, pneumatique,hydraulique. Les automatismes sont présents dans tous les secteurs d’activité(automobile,médecine, menuiserie, textile, alimentaire, …).

II. Structure d’un système automatisé Un système automatisé est un système, qui après avoir reçu des informations fournies par un opérateur peut décider et agir de façon autonome. Un tel système possède une structure généralecomposée de 3 parties fondamentales qui sont la partie contrôle, la partie commande et la partie opérative.

FIGURE 1 : Schéma

structurel d’un système automatisé

● Le pupitre (clavier, écran, marche, arrêt, arrêt d’urgence, voyants) : l’opérateur humain initialise et contrôle la partie commande. Aussi, il intervient manuellement sur la partie opérative pour faire des réglages ou des dépannages. ● La partie opérative correspond au processus physique à automatiser. Elle comporte : ♦ Le processus : ascenseur, machine électrique, tapis roulants, pompes, etc. ♦ Les actionneurs qui sont des éléments mécaniques : moteur électrique pour actionner une pompe, vérin hydraulique pour actionner fermer un moule, vérin pneumatique pour déplacer une tête de marquage. ♦ Les capteurs qui sont des éléments de détection et qui donnent des informations à la partie commande: détecteurs de passage, capteur de niveau, capteur de température, capteurs de position sur une vanne. ● La partie commande élabore les ordres pour les actionneurs en fonction des informations issues des capteurs et des consignes. Cette partie commande peut être réalisée par des circuits câblés (Circuits intégrés, relais), ou par des dispositifs programmables (automates, calculateurs). Elle coordonne trois types de dialogue :

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♦ Dialogue avec le processus : commande des actionneurs via les pré-actionneurs (contacteurs et distributeurs) et acquisitions des signaux des capteurs rendant compte de l’évolution du processus. ♦ Dialogue avec l’opérateur via le pupitre. ♦ Dialogue avec d’autres parties commandes à travers un réseau. La partie commande attend l’information (et elle seule) qui doit entraîner l’ordre suivant, d’où la séquence : Information – ordre – information – ordre - …….

III. Objectifs de l'automatisation 1. Généralités Les productions industrielles sont de plus en plus automatisées. Les progrès concernent : ● L’automatisation d’opérations autrefois entièrement manuelles, par exemple les emballages, les contrôles, etc. ● L’automatisation plus poussée d’opérations déjà partiellement automatisées, par exemple : ♦ Le passage en automatique de machines semi-automatiques, ♦ Le remplacement de machines rigides (ne fabriquant qu’un seul type de produit) par des machines susceptibles d’opérer sur plusieurs variantes de produits. 2. Objectifs de l’automatisation Les objectifs poursuivis par une automatisation peuvent être assez variés. Il existe deux catégories d’objectifs:  

Les objectifs concernant la compétitivité du produit, Les objectifs concernant l’exploitation de la machine de production.

2. 1. Compétitivité du produit La compétitivité du produit final peut être définie par sa capacité à être bien vendu sur les marchés auxquels il est destiné. Elle résulte essentiellement des résultats obtenus sur les facteurs suivants:    

Coût : matière, énergie, main d’œuvre. Qualité : fiabilité, endurance. Innovation : esthétique, performance, optimisation. Disponibilité : Réseau de vente, stocks, service après-vente.

L’automatisation permet d’améliorer la compétitivité du produit en influant sur: 

Les coûts: ♦ En réduisant la main d'œuvre ♦ En optimisant l'utilisation de la matière et de l'énergie



La qualité: ♦ En augmentant la fiabilité et l'endurance des produits par un meilleur suivi de la production



L’innovation: ♦ En permettant une meilleure adaptation du produit au marché par une capacité d'évolution plus grande.

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La disponibilité: ♦ En gérant les stocks d'une façon optimale ♦ Grâce à une plus grande flexibilité.

2. 2. Exploitation de la machine de production L’exploitation de la machine de production doit permettre d’assurer:  

La sécurité des opérateurs, Une maintenance rapide du système.

L’automatisation doit permettre d’assurer ces objectifs en:  

Réduisant les tâches présentant un danger Intégrant la maintenance du système à la production

IV. Cahier des charges d’un automatisme Un cahier des charges est un document fourni par l’utilisateur au concepteur, pour lui indiquer quelles sont les caractéristiques désirées pour la réalisation d’un automatisme. Il décrit : ● Les relations entre la partie commande et la partie opérative. ● Les conditions d’utilisation et de fonctionnement de l’automatisme. Les spécifications techniques auxquelles doit satisfaire la partie commande d’un système automatisé peuvent être réparties en trois groupes principaux de représentations : ● Les représentations relevant des spécifications fonctionnelles qui correspondent aux fonctions devant être assurées par l’automatisme. Elles caractérisent donc les comportements que doit avoir la partie commande face aux informations issues de la partie opérative, de l’opérateur ou d’autres parties commandes. ● Les représentations relevant des spécifications opérationnelles qui correspondent aux performances globales de l’automatisme, aux contraintes de sûreté, à l’absence de pannes dangereuses, à la facilité de maintenance, aux modes de marche et d’arrêt ou au dialogue Homme-machine. ● Les représentations relevant des spécifications technologiques qui tiennent compte de la technologie utilisée tant pour la partie opérative que pour la partie commande.

V. Technologie de la commande des systèmes automatisés Pour élaborer un système de commande automatisé, l’automaticien dispose de trois techniques principales qui sont : la logique à relais, la logique électronique câblée et la logique programmée (Automates Programmables Industriels : API). L’automatisme utilisant la technique de commande câblée est réalisé par des modules raccordés entre eux (portes ET, OU, NON,…, fonction mémoire,…). Le fonctionnement obtenu résulte du choix de ces modules et du câblage qui les relie. Dans tous les cas, le système de commande obtenu est entièrement personnalisé par sa réalisation matérielle (chaque partie de commande est conçue pour une application donnée). Les éléments permettant de réaliser les systèmes de commande câblés sont : - Les relais électromagnétiques qui restent intéressants pour les automatismes très simples.

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- Les modules logiques pneumatiques qui sont homogènes avec de nombreuses machines de production équipées de vérins pneumatiques. - Les modules électroniques spécifiques ou standards qui nécessitent des connaissances des systèmes logiques combinatoires et séquentiels. L’étude des fonctions permettant de réaliser ces systèmes fera l’objet de ce cours.

B- QUANTITÉS NUMÉRIQUES ET ANALOGIQUES - Une quantité analogique possède des valeurs continues, alors qu'une quantité numérique renferme une série de valeurs discrètes. La plupart des choses que l'on peut mesurerquantitativement se présentent dans la nature sous une forme analogique. La température de l'air, par exemple, varie selon une échelle de valeurs continues. La température ne change pas instantanément de 19° à 20° ; elle prend toute l'infinité des valeurs situées entre les deux. Si l'on trace le graphique de température d'une journée d'été type, nous obtenons une courbe uniforme et continue comme celle illustrée à la figure 2. Le temps, la pression atmosphérique, la distance et le son constituent d'autres exemples de quantités analogiques.

FIGURE 2 : Graphique d'une quantité analogique (température en fonction du temps )

Plutôt que d'en tracer le graphique sur une base continue, supposons que nous prenions une lecture de la température toutes les heures. Nous obtiendrions des valeurs échantillonnées représentant la température en différents points discrets dans le temps,à chaque heure, durant une période de 24 heures (cf. figure 3). Nous aurions alors converti une quantité analogique sous une forme pouvant ensuite être numérisée, en remplaçant chaque valeur échantillonnée par un code numériquequi consiste d'une série de 1 et de 0. Il est important de constater que la figure 3 n'est pas une représentation numérique de la quantité analogique.

FIGURE 3 : Représentation des valeurs échantillonnées de la quantité analogique de la figure 2

- Avantage du numérique : Le numérique possède certains avantages sur l'analogique dans les applications électroniques. On peut traiter et transmettre des données numériques

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avec une efficacité et une fiabilité supérieures aux données analogiques. Les données numériques sont également avantagées lorsqu'il est question de les stocker. La conversion de musique sous forme numérique, par exemple, permet un stockage plus compact et une reproduction plus précise et plus claire que sous forme analogique. Le bruit, produit par des fluctuations de tension non désirées, affecte peu les données numériques comparativement aux signaux analogiques. Système électronique analogique : 

Exemple 1 : système de sonorisation

Un système de sonorisation, utilisé pour amplifier le son et le transmettre à un vaste auditoire, est un exemple d'application d'électronique analogique. Le diagramme d'ensemble de la figure 4 illustre que les ondes sonores, retrouvées dans la nature sous forme analogique, sont recueillies par un microphone et converties en un signal de faible tension appelé signal audio. Cette tension varie continuellement alors que l'intensité et la fréquence du son changent à l'entrée de l'amplificateur linéaire. La sortie, une reproduction augmentée de la tension d'entrée, est dirigée vers le(s) haut-parleur(s). Le haut-parleur transforme le signal audio amplifié en ondes sonores d'intensité largement supérieure à celles captées par le microphone.

FIGURE 4 : Système électronique analogique



Exemple 2 : schéma équivalent de Thevenin

FIGURE 5 : Chaîne de traitement analogique

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Système utilisant le numérique et l'analogique : 

Exemple 1 : lecteur de disque compact

Le lecteur de disque compact (CD) est un exemple de système dans lequel on utilise à la fois des circuits numériques et analogiques. Le diagramme simplifié de la figure 6 illustre son principe de base. La musique est stockée sous forme numérique sur le disque compact.

Figure 6 : Système utilisant le numérique et l'analogique

Un système optique à diode laser capte les données numériques à partir du disque en rotation pour les transférer vers le convertisseur numérique-analogique (CNA). Le CNA transforme les données numériques en un signal analogique, c'est-à-dire une reproduction électrique de la musique d'origine. Ce signal est amplifié et dirigé vers le haut- parleur. Un procédé inverse, impliquant l'utilisation d'un convertisseur analogique- numérique (CAN), est employé pour enregistrer la musique sur le disque compact. 

Exemple 2 : Téléphonie mobile (GSM)

L’électronique numérique implique des circuits et des systèmes dans lesquels il n’existe que deux états ou niveaux de tension possibles : Haut et Bas. Il est également possible de représenter ceux-ci par des niveaux de courant, des interrupteurs ouverts ou fermés, ou des ampoules allumées ou éteintes. En utilisant des combinaisons de ces états, appelées codes, on peut représenter des nombres, symboles, caractères d’alphabet et autres types d’information. Le système de numération à deux états s’appelle le binaire ; ses deux chiffres sont le 0 et le 1.

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