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L’automate programmable industriel (API) est un système électronique destiné à automatiser les tâches d’une installation industrielle en utilisant ies fonctions logiques, séquentielles ou numériques.
C’est un automate, au sens d’automatisme, programmable selon la terminologie informatique.
La programmation et l’exploitation sont simples par la structure de langage, souvent de type symbolique et des moyens de programmation accessibles à l’électricien de maintenance.
Structure de l’automate programmable
Les sous-ensembles fondamentaux composant un automate programmable sont (Figure 8.1)
— l’unité centrale qui traite les variables en fonction du traitement logique programmé en mémoire et élabore les ordres de commande;
— la tête dc bac qui assure la liaison entre l’unité centrale et les interfaces;
— les interfaces d’entrée qui reçoivent les données machines provenant des capteurs
— les interfaces de sortie qui appliquent les processus de commande.
Unité centrale
L’unité centrale, coeur de l’automate, se compose fonctionnellement des éléments suivants.
* Unité de traitement
Le processeur, appelé unité de traitement (UT) ou unité arithmétique et logique,
a un double rôle:
— assurer le contrôle de l’ensemble de l’automate,
— effectuer les traitements demandés par les instructions d’un programme.
— Les registres spécialisés assurent les fonctions de contrôle
• le compteur ordinal ou pointeur contient l’adresse de l’instruction en cours d’exécution
• ic registre instruction contient l’instruction à exécuter; il a pour rôle de décoder le code opération (CO) et d’effectuer les opérations demandées;
• le registre adresse contient la partie adresse opérande (AO) de l’instruction et permet d’accéder directement ou via un registre index au second opérande (s’il existe).
— Les registres généraux effectuent les traitements logiques, arithmétiques...
— L’accumulateur contient le premier (ou unique) opérande.
Les microprocesseurs exploitent les techniques de microprogrammation. L’exécution des programmes élémentaires ou microprogrammes fournit les traitements correspondants aux instructions.
* Mémoire centrale
La mémoire centrale est découpée en zones destinées à contenir ies données, les
programmes et le logiciel dc base gérant le fonctionnement de l’automate.
La zone des données est divisée en trois sous-ensembles ayant chacun une
fnncton
— recevoir les variables acquises par l’automate;
— mémoriser les variables intermédiaires, résultats de traitements;
— enregistrer les valeurs de sortie à transmettre aux actionneurs.
Une mémoire est un élément technologique dans lequel on peut écrire, effacer OU lire des informations. Une unité dc mémoire est composée de mémoires élémentaires ou points mémoires. Chaque point mémoire enregistre un digit binaire ou bit (0 ou 1).
On définit un « mot » comme un ensemble de 16 bits. La capacité de mémoire est définie par le nombre de mots qu’elle contient. L’unité de mesure est ic kilomot (K), ne valant pas 1 000 mais 1 024 (210) mots correspondant à la puissance de 2 la plus proche:
— I K = 1 024 mots,
— 2 K = 2 048 mots,
— 4 K = 4 096 mots,
— 8 K = 8 192 mots...
On distingue deux types de mémoires selon la possibilité ou non d’écrire et d’efluicer:
— la mémoire vive ou random access memory (RAM),
— la mémoire morte ou readonly memory (ROM).
On distingue en outre:
— la mémoire morte programmable (PROM),
— la mémoire morte reprogrammable (REPROM).
Bus de liaison
[.es interfaces entre le procédé et la logique interne d’un automate sont assurées par des cartes électroniques appelées coupleurs.
Le bus est un chemin emprunté par les informations entre Les cartes et avec l’extérieur. C’est un circuit imprimé situé au fond de panier sur lequel sont connectés le processeur, la mémoire centrale et les coupleurs.
Périphériques de l’automate
Système d’entrée et de sortie (E/S)
Les dispositifs EIS classiques permettent de connecter des procédés situés à faible distance de l’automate (quelques mètres à quelques dizaines de mètres). Certains automates autorisent le déport de distance de modules E/S jusqu’à 100 à 300 m et fonctionnent en mode synchrone.
La transmission par modem (modulateur-démodulateur) permet la décentralisation du système E/S.
Le système dc transmission pour automate programmable (STRAP) permet le
transfert du signal 24 V — 300 mA jusqu’à 100 m.
Le système d’entrées-sorties industrielles autonomes, doté d’un microprocesseur
et d’une mémoire intermédiaire sur son coupleur, offre les possibilités suivantes
— liaison parallèle locaic: quelques mètres,
— liaison parallèle à distance: une centaine de mètres,
— liaison série asynchrone.
• Console de programmation
La console de programmation donne accès à la mémoire dc l’APT. Son rôle consiste à traduire lcs instructions utilisateur du code mnémonique en instrucrions machines exécutables par l’automate.
• Boîtier test
Un boîtier test permet
— l’affichage manuel de ligne dc programme à contrôler;
— la visualisation de l’instruction : code opératoire et adresse de l’opérande;
— la visualisation du contenu de l’accumulateur logique, après exécution de l’instruction ; ceci permet, en pas à pas, de localiser l’endroit où l’équation cesse d’être satisfaite et donc de déterminer l’origine d’une panne éventuelle
— la visualisation de toute entrée, sortie ou mémoire interne.
• Unité de dialogue en ligne
L’unité de dialogue en ligne (UDEL) offre des possibilités supplémentaires au boîtier test pour des interventions ponctuelles
— modification de constante;
— accès aux valeurs courantes des paramètres;
— suivi et réglage de temporisations et des comptages;
— chargement de programme de fabrication.
Une clé de sécurité détermine la personne autorisée à intervenir. Ce système est équivalent au système américain TimeriCounter Access Module (TCAM).
• Imprimante parallèle
Il est possible d’éditer sur l’imprimante certains résultats (états de compteurs, de temporisation poids, mesures diverses) ou des messages d’erreurs.
Certains dispositifs d’impression par ligne contiennent des messages précnregistrés sur mémoires ROM ou PROM et peuvent écrire l’information correspondante par l’activation d’un bit.
• Capteurs
Ce sont des éléments placés sur les installations pour détecter les informations locales qui constituent les données de l’automatisation.
Capteurs passifs
Ce sont tous les capteurs équivalents à un contact sec ouvert ou fermé libre de potentiel (fins de course, boutons poussoirs...) ou aux composants passifs (thermistance, potentiomètre...).
U Capteurs actifs
Cc sont tous les capteurs qui nécessitent une source de tension. Exemple:
détecteurs dc proximité inductifs ou capacitifs, cellules de détection photoélectrique...
** Exploitation
• Rôle de l’automate programmable
Au début, I automate programmable servait uniquement à réaliser les fonctions logiques et séquentielles et au contrôle de commande individuelle des machines — rôle dc séquenceur.
Actuellement, il effectue, en plus de ces fonctions logiques, le traitement numérique, la gestion de production, la localisation des pannes, l’échange des messages et le traitement de texte en clair pour renseigner les agents d’exploitation sur la conduite de la machine.
L’évolution technologique des microprocesseurs se caractérise par
— l’augmentation des capacités de mémoire;
— l’accroissement des vitesses de traitement.
Elle permet une mise en oeuvre plus souple et rapide des automatismes des lignes
de production.
• Liaison interautomates
Cette liaison, dite « maître tournant » ou liaison guirlande. permet de mettre en commun tous les automates de la boucle sans désigner un automate maître ou superviseur (figure 8.2).
Chaque automate diffuse à tour dc rôle les informations successivement dans la boucle. La liaison est réalisée par une paire de lignes blindées isolées ou de fibres optiques. Elle est rapide avec un temps de réaction inférieur à 40 ms.
1)ans cette configuration, le calculateur a le rôle de superviseur OU de maître. c’est-à-dire qu’il est le seul à pouvoir décider d’un échange d’informations. Cet échange s’effectue toujours entre le maître et l’un des esclaves couplés en série sur la ligne (figure 8.3).
La liaison est établie par deux paires blindées et isolées.
L’organisation est entièrement liée à la notion de hiérarchisation
— le niveau le plus bas du système est représenté par l’ensemble des automates en liaison guirlande qui animent un groupe de machines;
— chaque groupe dc machines est supervisé par un automate maître. Les informations sont transmises au pupitre de conduite à travers le réseau local, ce qui permet ainsi de piloter et dc surveiller les machines depuis la salle de supervision:
— enfin, toujours à travers le réseau local, 1cs automates de supervision communiquent les informations au système de gestion. Les signaux de traitement sont envoyés dans le réseau de communication standard.
Le système complet de supervision permet
— la gestion de l’automatisme de la machine;
— la gestion des évolutions, paramètres pièce-outil, ordres opérateur, paramètres de maintenance;
— la gestion de la production : taux d’utilisation machine, coût d’une pièce.
** Conditions d’exploitation
• Environnement de l’automate en fonctionnement Température de fonctionnement
Le fonctionnement de l’automate est garanti pour une température de fonctionnement
0< 55 C Le point de relevé de température de fonctionnement est à une distance de l’automate inférieure à 50 cm.
Humidité
L’humidité relative dc fonctionnement doit être inférieure à 90 % (sans condensation). L’humidité relative minimale est de 5 %.
D Atmosphère
1)ans une ambiance corrosive (sel, acide), l’automate doit être sous protection. En atmosphère explosive, l’automate doit être hors de la zone dc sécurité intrinsèque.
Altitude
I.e fonctionnement est garanti pour une altitude maximale dc 2 000 rn.
Poussière
Les poussières de l’air ambiant encrassent les modules, générant des dysfonctionnements de connexions. Certaines poussières sont conductrices et peuvent provoquer des courts-circuits perturbant le fonctionnement dc l’automate.
Il est nécessaire, dans une ambiance poussiéreuse. d’installer l’automate dans une enceinte fermée, étanche et propre.
Dans certains cas, il faut protéger l’automate à l’intérieur d’une armoire fermée avec une surpression d’air sec.
D Vibrations
Le niveau de vibration doit être inférieur à une amplitude de 75 m (fréquence dc 10 à 55 Hz, accélération I g).
D Indice de protection
Les indices de protection sont de lP205 à 1P305 selon le type.
Armoire automate
— L.’armoire doit être propre.
— Interrompre la ventilation à l’ouverture de l’armoire pour éviter l’aspiration des poussières.
— Éviter d’utiliser des portes en plexiglas (charge statique).
— Assurer la continuité dc terre entre armoires.
— Placer l’automate en haut de l’armoire.
• Recommandations d’installation
E] Séparation des câbles
Séparer les câbles en goulottes selon le type dc signaux qu’ils véhiculent
— alimentation 220 V — 50 Hz,
— hauts niveaux d’entrée,
— hauts niveaux de sortie,
— signaux logiques et bas niveaux (liaisons séries, liaisons analogiques).
Les câbles véhiculant les faibles niveaux ne doivent pas cheminer dans les mêmes goulottes que ceux transportant des courants forts.
Ne pas faire circuler dans un même câble (multiconducteurs) des tensions de natures différentes (alternatif et continu), ainsi que des liaisons de fonctions différentes (entrée, sortie).
E] Prise de terre
— La masse de référence est la masse de l’armoire ou rack ou dc l’embasc princi
pale et celle-ci doit être reliée à la terre.
— Raccorder les blindages surfaciquement aux deux extrémités à la terre et non
aux O V disponibles sur les broches des connecteurs.
— Autour dc la commande, référencer tous les secondaires de transformateurs à
la terre.
D Champs électrique et magnétique
Toute installation dans un poste haute tension, à proximité immédiate d’un four à arc, dc disjoncteurs OU de câbles de liaison à ces dispositifs doit respecter les distances minimales indicatives suivantes
— 5 m pour un appareillage dc 500 kVA;
— 10 m pour un appareillage de 5 MVA.
D Capteurs actifs
— Capteur à 2 fils: le raccordement s’effectue en série avec l’alimentation et la charge ou l’entrée automate.
— Capteur à 3 fils: deux de ces bornes sont réservées à l’alimentation, la charge étant branchée entre l’une de ces bornes, désignée par le constructeur et la troisième appelée sortie.
— La distribution des alimentations et des terres doit se faire en étoile.
— Utiliser les alimentations protégées contre les surtensions par varistances.
— Adopter un régime TN-S, neutre non distribué, pour la commande.
• Précautions générales pour les alimentations
Température
Prévoir un dispositif de coupure d’alimentation à une température supérieure à
55 oc.
Foudre
— Sur les lignes fréquemment atteintes par la foudre, il est conseillé de monter un parasurtenseur sur l’arrivée secteur de l’automate et/ou des alimentations de ses interfaces d’entrée et de sortie.
— Sur les lignes de transmission longue distance, monter un parasurtcnscur à chaque extrémité de la ligne.
Perturbations électriques
Dans les milieux de forte perturbation, des transformateurs d’isolement sont nécessaires. Trois transformateurs d’alimentation automate, d’alimentation des entrées et d’alimentation de sorties sont à envisager.
Sécurité des alimentations EIS
Le dispositif tel que le chien de garde, flag de défaut, permet de traiter la sécurité automate avec coupure de puissance.
Alimentation capteurs
Certains capteurs sont sensibles aux parasites (surtout les 3 fils DC). [)ans ce cas, prévoir une capacité aux bornes d’alimentation et le plus près possible du capteur (figure 8.5).
• Stockage
— Le matériel non installé doit se trouver dans un local sec, à l’abri des projections d’eau, des agents chimiques et rester dans son emballage d’origine.
— 40 °C Température de stockage sans pile 75 °C
— Après stockage, un module peut être mis sous tension à condition qu’il soit porté au préalable dans son emballage à une température comprise entre O et 40 oc.
— Si le contenu de la mémoire RAM ne doit pas être sauvegardé pendant le stockage, il est conseillé d’enlever les piles.
— Les cassettes et les disquettes d’enregistrement doivent être entreposées en dehors d’une zone de champ magnétique et à une température comprise entre
— 20 oc et + 60 °C.
8.1.5 Entretien préventif
Dans les systèmes à automates programmables, l’expérience montre
— que 95 % des défauts sont d’origine externe,
— que 5 % sont d’origine interne.
Et parmi les origines internes, 90 % de défauts sont dus aux éléments d’entrée et de sortie.
Les défauts de fonctionnement proviennent principalement de la réalisation de programme ou du non-respect des conditions de mise en service.
La principale cause de détérioration d’une carte est une surtension au niveau des entrées.
Les contacts électriques sont également des points critiques de la maintenance des automates comme tous les appareils électroniques.
Les principaux problèmes de fiabilisation se trouvent donc au stade de conception de la fabrication et de l’installation.
Chez ies constructeurs, les tests systématiques assistés par ordinateur de tous les composants et le vernissage de tous les circuits intégrés donnent une fiabilité satisfaisante.
Les utilisateurs devront respecter ies règles d’installation de l’automate et des capteurs, et adopter les protections selon les conditions d’exploitation.
• Vérification quotidienne
— Nettoyer et vérifier l’étanchéité dc l’armoire automate.
— Vérifier le bon fonctionnement de la ventilation.
— Vérifier le fonctionnement de la climatisation et du chauffage selon la saison et la bonne régulation de la température de fonctionnement.
— Vérifier l’aspect des câbles d’alimentation et des prises de terre.
• Contrôle des éléments de la boucle d’automatisme
La maintenance préventive doit prendre en compte l’ensemble de la boucle de l’automatisme. Il est aussi important dc contrôler l’état physique des capteurs.
• Remplacement des piles
Le remplacement des piles de sauvegarde est systématique tous les trois ans.
Par précaution, certaines entreprises adoptent une politique de remplacement des piles des automates critiques tous les ans.
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