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UNIVERSITE DE LIEGE Faculté des Sciences Appliquées LES AUTOMATES PROGRAMMABLES

UNIVERSITE DE LIEGE Faculté des Sciences Appliquées LES AUTOMATES PROGRAMMABLES Tome I Caractéristiques et méthodologie de programmation Dr. Ir. H. LECOCQ Professeur – Dernières mises à jour 2005 – I Table des matières Chapitre 1 INTRODUCTION .....................................................................................................................1 1.1. CONTEXTE INDUSTRIEL .........................................................................................................................1 1.2. LES NOUVELLES REGLES DE PRODUCTION.........................................................................................2 1.3. ARCHITECTURE INFORMATIQUE INTEGREE ........................................................................................6 1.4. LES AUTOMATES PROGRAMMABLES................................................................................................10 1.4.1. Historique.............................................................................................................................11 1.4.2. Impact des PC ...................................................................................................................13 1.4.3. Normalisation......................................................................................................................13 1.4.4. Tendances du marché .....................................................................................................15 Chapitre 2 STRUCTURE DES AUTOMATES PROGRAMMABLES ..................................................... 17 2.1. ROLE D'UN AUTOMATE.......................................................................................................................17 2.2. PRINCIPE DE LA LOGIQUE PROGRAMMEE......................................................................................17 2.2.1. Logique câblée .................................................................................................................18 2.2.2. Logique programmée ......................................................................................................18 2.3. PRINCIPE DE L'AUTOMATE PROGRAMMABLE.................................................................................21 2.3.1. Unité logique ......................................................................................................................21 2.3.2. Accumulateur logique .....................................................................................................21 2.3.3. Unité de commande ........................................................................................................21 2.3.4. Format des instructions .....................................................................................................23 2.3.5. Organisation du cycle d'un automate ..........................................................................24 2.3.6. Langage et console de programmation ......................................................................26 2.4. TECHNOLOGIE DE REALISATION.......................................................................................................27 2.4.1. Bus d'échange ...................................................................................................................27 2.4.2. Processeur...........................................................................................................................27 2.4.3. Mémoires.............................................................................................................................30 2.4.4. Modules d'entrées/sorties industrielles ...........................................................................31 2.4.5. Fonctions spéciales ...........................................................................................................32 2.4.6. Module de couplage .......................................................................................................32 2.4.7. Modules de surveillance et de contrôle........................................................................33 2.5. LES AUTOMATES PROGRAMMABLES VIRTUELS (SOFT PLC)..............................................................33 Chapitre 3 INTERFACES INDUSTRIELLES ET DISPOSITIFS DE SECURITE................................ 34 3.1. INTRODUCTION ..................................................................................................................................34 3.1.1. Types de signaux................................................................................................................34 3.1.2. Rôle des interfaces industrielles.......................................................................................35 3.1.3. Tensions de mode commun ............................................................................................35 3.2. PRINCIPES D'ORGANISATION ...........................................................................................................38 3.2.1. Solution intégrée................................................................................................................38 II 3.2.2. Périphéries déportées.......................................................................................................38 3.2.3. Réseaux de capteurs et actuateurs...............................................................................38 3.3. CONDITIONNEMENT DES ENTREES/SORTIES LOGIQUES.................................................................40 3.3.1. Entrées logiques.................................................................................................................40 3.3.2. Sorties logiques...................................................................................................................40 3.3.3. Mesures de sécurité ..........................................................................................................43 3.4. CONDITIONNEMENT DES ENTREES/SORTIES ANALOGIQUES.........................................................43 3.4.1. Principe des convertisseurs ..............................................................................................43 3.4.2. Entrées analogiques..........................................................................................................47 3.4.3. Sorties analogiques ...........................................................................................................50 3.4.4. Mesures de sécurité ..........................................................................................................50 3.5. DISPOSITIFS DE SECURITE....................................................................................................................51 3.5.1. Surveillance de cycle ("watch-dog") .............................................................................51 3.5.2. Surveillance d'alimentation .............................................................................................53 Chapitre 4 LANGAGES DE PROGRAMMATION................................................................................... 55 4.1. INTRODUCTION ..................................................................................................................................55 4.2. PROBLEMES DE NATURE COMBINATOIRE........................................................................................55 4.2.1. Mode de représentation..................................................................................................55 4.2.2. Programmation..................................................................................................................55 4.2.3. Exécution ............................................................................................................................57 4.3. PROBLEMES DE NATURE SEQUENTIELLE............................................................................................59 4.3.1. Conception ........................................................................................................................59 4.3.2. Programmation..................................................................................................................61 4.4. LANGAGES SEQUENTIELS ..................................................................................................................64 4.4.1. Extension du langage combinatoire..............................................................................64 4.4.2. Langage GRAFCET............................................................................................................64 4.5. EXECUTION SEQUENTIELLE.................................................................................................................65 Chapitre 5 FONCTIONS SPECIALES..................................................................................................... 67 5.1. INTRODUCTION ..................................................................................................................................67 5.2. EXTENSION DE LA LOGIQUE DE BASE...............................................................................................67 5.2.1. Temporisation.....................................................................................................................67 5.2.2. Comptage..........................................................................................................................67 5.2.3. Différentiateurs...................................................................................................................69 5.3. FONCTIONS DE SEQUENCEMENT .....................................................................................................69 5.4. FONCTIONS D'ORGANISATION DU CYCLE......................................................................................69 5.4.1. Branchements et répétitions............................................................................................70 5.4.2. Sous-routines.......................................................................................................................70 5.4.3. Interruptions........................................................................................................................71 5.4.4. Remarque...........................................................................................................................72 5.5. OPERATIONS SUR MOTS.....................................................................................................................72 5.6. MANIPULATION DE DONNEES...........................................................................................................73 5.6.1. Gestion de tables de valeur............................................................................................73 III 5.6.2. Opérations matricielles.....................................................................................................73 5.6.3. Edition de texte..................................................................................................................74 5.6.4. Pile FIFO (First In First Out)..................................................................................................74 5.7. REGULATION.......................................................................................................................................75 5.7.1. Rappel de l'algorithme PID ..............................................................................................76 5.7.2. Programmation de l'algorithme......................................................................................77 5.7.3. Mise en oeuvre...................................................................................................................77 5.8. COMMANDE D'AXE ...........................................................................................................................79 5.8.1. Principe de fonctionnement ...........................................................................................81 5.8.2. Programmation..................................................................................................................81 5.8.3. Terminal d'exploitation......................................................................................................83 Chapitre 6 GRAFCET ou SFC.................................................................................................................. 85 6.1. PRINCIPES GENERAUX .......................................................................................................................85 6.1.1. Historique.............................................................................................................................85 6.1.2. Approche progressive du cahier des charges de la partie commande ................86 6.1.3. Exemple introductif ...........................................................................................................87 6.2. ELEMENTS DE BASE DU GRAFCET......................................................................................................94 6.2.1. Etape ...................................................................................................................................94 6.2.2. Transitions ............................................................................................................................95 6.2.3. Liaisons orientées ...............................................................................................................96 6.2.4. Règles d'évolution .............................................................................................................97 6.2.5. Représentation des séquences multiples......................................................................99 6.3. ELEMENTS COMPLEMENTAIRES DU GRAFCET ...............................................................................103 6.3.1. Variables d'étape............................................................................................................103 6.3.2. Types d'action ..................................................................................................................104 6.3.3. Nature des actions ..........................................................................................................107 6.4. STRUCTURATION D'UN GRAFCET ....................................................................................................107 6.4.1. Utilisation des outils standards du GRAFCET................................................................109 6.4.2. Utilisation d'actions GRAFCET ........................................................................................111 6.4.3. Syntaxes spécifiques .......................................................................................................111 6.4.4. Utilisation du principe "client-serveur"...........................................................................112 6.5. SYNCHRONISATION ET PROTECTION .............................................................................................113 6.5.1. Synchronisation................................................................................................................113 6.5.2. Protection de ressources communes...........................................................................116 6.6. TRANSPOSITION DU GRAFCET DANS UN LANGAGE AUTOMATE................................................121 6.6.1. Principes de la transposition ..........................................................................................121 6.6.2. Difficultés potentielles .....................................................................................................122 6.6.3. Organisation des programmes .....................................................................................126 6.6.4. Principales méthodes de transposition ........................................................................130 Chapitre 7 GEMMA ................................................................................................................................ 135 7.1. INTRODUCTION ................................................................................................................................135 7.1.1. Le besoin d'outils-méthodes ..........................................................................................135 7.1.2. Le besoin d'un vocabulaire précis................................................................................136 7.1.3. Le besoin d'une approche guidée...............................................................................136 7.2. LES CONCEPTS DE BASE...................................................................................................................136 IV 7.2.1. Concept n° 1 : les modes de Marches sont vus par une partie commande en ordre de marche .............................................................................................................137 7.2.2. Concept n° 2 : le critère "Production" ..........................................................................138 7.2.3. Concept n° 3 : Les 3 grandes familles de Modes de Marches et d'Arrêts.............138 7.2.4. Les "rectangles-états"......................................................................................................139 7.3. LES ETATS DE MARCHES ET D'ARRETS ..............................................................................................141 7.3.1. Un "rectangle-état" type ................................................................................................141 7.3.2. Utilisation d'un "rectangle-état".....................................................................................141 7.3.3. Les états "f ".......................................................................................................................142 7.3.4. Les états "a "......................................................................................................................143 7.3.5. Les états "d "......................................................................................................................143 7.3.6. Exemples d'utilisation du gemma .................................................................................146 7.4. METHODE DE MISE EN ŒUVRE........................................................................................................157 7.4.1. Utilisation du GEMMA pour l'étude d'une machine de production automatisée157 7.4.2. Sélection des Modes de Marches et d'Arrêts .............................................................157 7.4.3. Conditions d'évolution entre Modes de Marches et d'Arrêts ..................................159 7.4.4. Conclusion........................................................................................................................160 7.4.5. Cas particulier : machines nécessitant l'intervention d'un opérateur à chaque cycle..................................................................................................................................160 7.5. PROGRAMMATION..........................................................................................................................161 7.5.1. Enrichissement du GRAFCET de BASE...........................................................................161 7.5.2. Découpage en tâches...................................................................................................163 7.6. TRAITEMENT DES ARRETS D'URGENCE ............................................................................................166 7.6.1. Problèmes .........................................................................................................................166 7.6.2. Solutions pragmatiques ..................................................................................................166 7.7. LIMITES ET EXTENSIONS POSSIBLES...................................................................................................169 7.7.1. Unicité du mode : pourquoi ? .......................................................................................169 7.7.2. Comment utiliser le GEMMA lorsqu'il n'y a plus unicité du mode ? ........................169 Chapitre 8 NORMALISATION DES LANGAGES DE PROGRAMMATION....................................... 171 8.1. CONCEPTS DE BASE.........................................................................................................................171 8.2. MODELE LOGICIEL D'UN AUTOMATE PROGRAMMABLE .............................................................172 8.2.1. Eléments de configuration.............................................................................................172 8.2.2. Unités d'organisation de programmes.........................................................................172 8.2.3. Données et variables ......................................................................................................175 8.2.4. Textes et libellés ...............................................................................................................180 8.3. LE LANGAGE A LISTE D'INSTRUCTIONS IL........................................................................................182 8.4. LE LANGAGE LITTTERAL STRUCTURE ST............................................................................................183 8.5. LES LANGAGES GRAPHIQUES.........................................................................................................185 8.5.1. Langages à contacts LD................................................................................................187 8.5.2. Langage en blocs fonctionnels FBD.............................................................................189 8.6. FONCTIONS ET BLOCS FONCTIONNELS STANDARDS ...................................................................189 8.6.1. Fonctions standards ........................................................................................................190 8.6.2. Blocs fonctionnels standards .........................................................................................191 V Chapitre 9 OUTIL D'AIDE AU DEVELOPPEMENT DES PROGRAMMES ....................................... 192 9.1. CONCEPT D'ATELIER DE GENIE LOGICIEL......................................................................................192 9.1.1. Cycle de vie d'un système automatisé .......................................................................192 9.1.2. Le poste de travail de l'automaticien..........................................................................194 9.1.3. Etat des réalisations.........................................................................................................195 9.2. PROGRAMMATION..........................................................................................................................196 9.2.1. Structuration des programmes et des données.........................................................196 9.2.2. Mixité des langages ........................................................................................................196 9.2.3. Variables symboliques et commentaires.....................................................................197 9.2.4. Facilités d'édition .............................................................................................................197 9.2.5. Programmation ON-LINE ................................................................................................198 9.3. AIDE A LA MISE AU POINT DES PROGRAMMES .............................................................................198 9.3.1. Visualisation dynamique.................................................................................................198 9.3.2. Modes d'exécution .........................................................................................................199 9.3.3. Forçage de variables......................................................................................................199 9.3.4. Simulation..........................................................................................................................199 9.4. GENERATION DU DOSSIER TECHNIQUE..........................................................................................200 LES AUTOMATES PROGRAMMABLES – Tome 1 - Caractéristique et méthodologie de programmation Chapitre 1 – INTRODUCTION 1 Chapitre 1 INTRODUCTION 1.1. CONTEXTE INDUSTRIEL Du point de vue de la gestion et de l'automatisation, on classe généralement les entreprises industrielles en deux grandes catégories : les entreprises de procédés continus (process industries) et les entreprises manufacturières (manufacturing industries). Dans les premières, la production est décrite en termes de débits de matières. C'est typiquement le cas des usines physico-chimiques et pétrochimiques. Le processus de production y est généralement caractérisé par une séquence de réactions physico-chimiques se déroulant de manière continue ou quasi-continue. Il est clair que, dans ce type d'entreprise, la production est strictement figée, tant du point de vue de la nature des produits que du point de vue de l'outil de production. Dans les secondes, qualifiées de discontinues ou de discrètes, on fabrique des "objets" dénombrables qui peuvent évidemment être de complexité très diverse. Les industries mécaniques, électriques et électroniques appartiennent à cette catégorie. Le processus de production se présente en général ici comme une succession d'opérations de mise en forme et d'assemblage réalisées manuellement ou à l'aide de machines. La suite de l'exposé sera principalement consacrée à cette seconde catégorie d'entreprises. Bien entendu, certaines des notions qui seront présentées ci-après sont également applicables à la première catégorie. C'est l'évolution du marché qui explique les problèmes rencontrés actuellement par les entreprises manufacturières, surtout par celles qui s'adressent au grand public. Il y a peu de temps encore, le marché se caractérisait par le fait que le producteur était roi. Il y avait peu de concurrence et peu de produits. Le consommateur n'était pas difficile et achetait ce qui était disponible. Qu'on se rappelle la Ford T du début du siècle qui fut produite à un million d'exemplaires par an pendant seize ans ! C'est pour ce genre de production que Taylor avait développé sa philosophie : spécialisation des équipements et spécialisation du personnel à qui on ne demandait que des travaux élémentaires et répétitifs. Actuellement, le marché se caractérise plutôt par le fait que le client est devenu roi. La concurrence s'est considérablement accrue et mondialisée, rendant le consommateur plus difficile et beaucoup plus critique, notamment au niveau de la qualité des produits. Le cycle de vie des produits s'est également considérablement raccourci : trois à quatre ans pour une automobile, parfois beaucoup moins pour un ordinateur. En termes de production, cela signifie une grande variété de produits à cycle de vie très court et en petites séries. Cette situation peut être résumée par le diagramme de la figure 1.1. Des 30 % représentés par la production manufacturière dans l'activité industrielle globale, 40 % concernent une production par lot et seulement 15% une production de masse. Des 40 % de production par lot, 75 % concernent des lots de moins de 50 pièces ! LES AUTOMATES PROGRAMMABLES – Tome 1 - Caractéristique et méthodologie de programmation Chapitre 1 – INTRODUCTION 2 Pour survivre, les entreprises doivent donc arriver à produire vite, bien et bon marché, tout en étant capables de s'adapter rapidement à l'évolution des produits. Figure 1.1. Position et structure de la production manufacturière 1.2. LES NOUVELLES REGLES DE PRODUCTION Les nouvelles règles de production qui répondent à la question peuvent être résumées, de manière imagée, par cinq zéros : zéro défaut, zéro uploads/Philosophie/ ap-tome-1-version-2005-pdf.pdf