Cours electricite : installation et entretien de systemes electriques

Cours électricite : installation et entretien de systemes electriques

Introduction

Un système électrique commandé par API a pour but d’élaborer des biens ou des services destinés à la consommation ou à l’équipemnt de clients.

I.1.Structure d'une chaine d’acquisition

-          Acquisition de données

a) La chaÎne d'acquisition

Pour prendre des décisions, les systèmes de traitement de l'information ou commandes de systèmes automatiques ont besoin d'informations issues de l'environnement humain et matériel, d'information sur l'état du produit ou de l'énergie sur lequel il agit et sur son propre état. Ces informations sont supportées par un signal (principalement) électrique qui doit être ad apté aux caractéristiques de la com-mande (typologie de signal, niveau de tension, fréquence d' acquisition, protocole).

Figure 1 - Catégories d'informations d'entrées utiles à la commande

Dans le cas des comptes-rendus issus des capteurs et des consignes opérateurs, divers organes sont chargés de prélever la grandeur physique à mesurer (position, dimension, poids, vitesse, température, ...) ou la consigne pour la transformer en une grandeur exploitable par la commande : capteurs, interfaces homme-machine, systèmes numériques d'acquisition de données (caméra, microphone, scanner, codeurs, ...).

Fonctionnellement, il s'agit d'acquérir des grandeurs physiques pour les transformer en grandeurs utilisables directement à des fins de traitement.

Figure 2 - Fonction et situation de la chaîne d'acquisition

b) La grandeur physique à mesurer

La grandeur physique à mesurer également appelée mesurande, n'est généralement pas directement exploitable par la commande du système automatique. C'est l'entrée ou stimulus du système d'acquisition.

Le mesurande peut garder une valeur stable ou peu rapidement variable (niveau de liquide dans une cuve). Cette valeur peut également varier à des fréquences plus ou moins importantes ( détection d'un objet se déplaçant à grande vitesse, mesure de vibrations, ...).

On distingue habituellement quatre classes de fréquences :

TBF très basses fréquences (0 Hz à 250 Hz) BF basses fréquences (250 Hz à 2 kHz)

MF moyennes fréquences (2 kHz à 10 kHz) HF hautes fréquences (> 10 kHz)

L’étendue des valeurs courantes est définie par lesvaleurs extrêmes que peut prendre le mesurande de manière générale.

L'étendue des valeurs accidentelles est définie par les valeurs extrêmes que peut prendre le mesurande sous l'action de causes extérieures prévisibles ou non (phénomènes de faible durée).

-          Structure générale d'une chaÎne d'acquisition de données

a) Les différentes fonctions assurées par la chaîned'acquition

La transformation d'un mesurande en une grandeur utilisable par une commande est réalisée grâce à un ensemble d'éléments assurant différentes fonctions permettant la saisie de l'information, sa transformation, sa mise en forme et sa transmission. Cet ensemble d'éléments ou de fonctions (Figure 3) est appelé chaîne d'acquisition.

Figure 3 – Exemples de structure d’une chaine d’acqusistion de données

La chaine d’aquisition inclut ainsi tout ou partie des fonctions suivantes :

• La grandeur d'influence

Le signal de mesure doit être indépendant des grand eurs étrangères pouvant influer sur la chaîne d'acquisition.

La plupart des grandeurs d'influence sont liées à l'environnement de cette chaîne d'acquisition :

-          la température ;

-          la pression environnante ;

-          les vibrations mécaniques ou acoustiques, les chocs ;

-          la position du capteur et sa fixation ;

-          l'accélération et la pesanteur ;

-          l'humidité, les projections d'eau, l'immersion, les ambiances corrosives ;

-          les perturbations électromagnétiques ;

-          les rayonnements nucleaires ;

-          l'alimentation électrique du capteur, ….

1. Illustration de la fonction: transformer le mesurande en une grandeur mesurable

La figure 4 représente quelques corps d'épreuve typiques transformant un mesu-rande E en grandeur mesurable S :

-          tube de bourdon et capsule anéroïde ( ou barométrique), transformant une variation de pression ou de température en déplacement ;

-          bilame transformant une variation de température en déplacement ;

-          accéléromètre transformant une accélération en déplacement rectiligne ou angulaire ;

-          potentiomètre transformant un déplacement angulaire en variation de résistance ;

-          jauge d'extensométrie transformant une déformation en variation de résistance.

Figure 4 - Corps d'épreuve produisant un déplacement ou une variation de résistance

c)  Les différents niveaux d'intégration

De nombreux éléments permettent de réaliser les diverses fonctions assurées par la chaîne d'acquisition de données: corps d'épreuve,ransducteur, conditionneur, électronique de traitement et de communication, microcontrôleur, ...

Selon les applications et les contraintes technico-économiques exprimées dans le cahier des charges, ces éléments peuvent être intégrés partiellement ou totalement au sein de capteurs. Trois niveaux d'intégration différents sont illustrés figure 3 selon que le conditionneur et l'électronique permettant la communication soient intégrés ou non.

Parmi tous les vocables rencontrés suivant le niveau d'intégration, deux grandes catégories peuvent être identifiées: les détecteurs et les capteurs. Toutefois, ces termes recouvrent des sens différents selon les utilisateurs, ce qui est source de confusion. Par la suite, on conviendra d'utiliser les définitions suivantes :

Les constituants d'acquisition de données

II.1.Les constituants d'acquisition de consignes fournies par un opérateur

Durant la phase d'exploitation d'un système, il est indispensable que les personnels d'exploitation, de maintenance, de réglage, de surveillance puissent dialoguer avec la commande afin de donner des consignes :

-          de réglages lors de la mise en route d'une nouvelle production;

-          de modes de marche et d'arrêt permettant la conduit e du système ;

-          de pilotage de production ( changement de production, gestion qualitative et quantitative de la production, ...) ;

-          pour permettre la maintenance, le diagnostic et le dépannage en cas d'incident.

Cette acquisition peut s'effectuer à partir de nombreux constituants reliés à la partie commande tels que :

-          pupitre de commande et ses boutons, sélecteurs, roues codeuses, etc. ;

-          constituants séparés spécifiques: commande bimanuelle, pendant, commande d'arrêt d'urgence, pédale, etc. ;

-          terminal d'exploitation muni de touches et d'un clavier, ou muni d'un écran tactile ;

-          poste de supervision relié à un réseau de communication.

1. Constituants d'acquisition de consignes tout ou rien

Ces constituants sont toujours très employés, car simples d'utilisation, faciles à mettre en oeuvre et d'un coût inférieur aux constituants d'acquisition numériques qui pourraient remplir les mêmes fonctions. On distingu e essentiellement les constituants pour :

-          Commandes manuelles : bouton poussoir, sélecteur à deux positions ou plus, commande bimanuelle, bouton coup-de-poing, levier, manette, boites à boutons, etc. Ces constituants sont montés sur un pupitre de commande qui peut être fixe, mobile (pendant) ou séparé (radiocommande).

Figure 5 – Exemple de pupitre : classique et « pend ant » (doc. Siemens)

-          Commandes au pied : interrupteur à pédale simple ou double, tapis sensible. Certaines gammes de constituants d'acquisition de consignes tout ou rien peuvent être reliées à un bus de terrain.

1. Constituants d'acquisition de consignes numériques

L'acquisition de consignes numériques s'effectue généralement au moyen d'un clavier numérique ou alphanumérique. Les constructeurs proposent des pupitres programmables qui sont de plus munis de touches sensitives réalisant les mêmes fonctions que des boutons-poussoirs : dans ce cas, seules les fonctions de sécurité et de mise en énergie sont réalisées par des constituants séparés. Un terminal d'exploitation est relié à la partie commande par le biais d'une liaison série ou d'un bus de terrain.

Figure 6 – Exemple de terminaux d’exploitation alphanumériques et tactiles (doc. SCHNIEDER et Siemens)

L'utilisation de ce type de terminal programmable est économiquement justifiée dès qu'il y a plusieurs types de consignes (tout ou rien, numérique) et que le nombre de consignes devient important.

Toutefois, cette solution présente des inconvénients connus : nécessité d'employer un personnel d'exploitation suffisamment qualifié pour utiliser ces terminaux aux nombreuses fonctions et à l'ergonomie adaptée au procédé et au processus concerné. Pour gérer certaines situations critiques lors de l'exploitation de systèmes potentiellement dangereux, des constituants plus classiques sont encore utilisés : boutons, manettes, leviers et autres commandes rustiques mais efficaces en cas d'urgence.

• Cas particulier des roues codeuses

Lorsque l'acquisition de consignes numériques se limite à celle d'une valeur de consigne (nombre de produits à réaliser, température à atteindre, etc.) on peut utiliser une ou plusieurs roues codeuses reliées aux entrées tout ou rien de la partie commande et fournissant un code BCD qui devra être décodé.

e) Constituants d'acquisition de consignes analogiques

Il s'agit principalement de potentiomètres qui peuvent de présenter sous une forme circulaire, linéaire ou « joystick ». Ils permetten t par exemple de régler une vitesse ( cas des machines à commande numérique) ou de piloter le déplacement d'un axe numérique ou d'un robot.

II.2.Les détecteurs industriels

f)    Structure générale

Deux grandes classes de détecteurs existent :

-          les interrupteurs, ne possédant que deux états par construction : interrupteurs électromagnétiques ou pneumatiques, micro-rupteurs, détecteurs Reed, etc. Ils possèdent une structure fonctionnelle très rudimentaire, sans circuit de mise en forme puisqu'ils se limitent à commuter un signal déjà présent à leurs bornes.

-          les détecteurs possédant une structure identique à celle d'un capteur, muni d'un système de détection de seuil, réglable ou non, de telle manière que le signal de sortie soit de type tout ou rien : détecteurs de proximité inductifs, capacitifs, photoélectriques, ultrasoniques, pressostats, vacuostats, etc.

Pour ce qui concerne la détection de présence ou non d'un objet, on distingue les détecteurs de proximité qui opèrent à distance et esl détecteurs de présence qui opèrent par contact direct avec l'objet.

Exemple :

1. Dans le contact à pression utilisé sur le palettiseur, la pression d'air comprimé produit un déplacement de la membrane (corps d'épreuve). Ce déplacement assure la commutation d'un signal électrique par un contact électrique, permettant une modulation TOR.
2. Le capteur d'ensoleillement du store est constitué d'un phototransistor dont le signal de sortie analogique, proportionnel au flux lumineux reçu, est traité de façon à obtenir un « créneau » dès que le seuil est atteint (Figure 7).

Figure 7 - Mise en forme du signal du capteur Somfy

Les détecteurs industriels les plus usités sont les détecteurs de présence. Ces détecteurs industriels disposent soit de sorties électriques, soit de sorties pneumatiques.

Caractéristiques principales des détecteurs de présence et de proximité

• La nature des sorties tout ou rien

Quelle que soit la technologie électrique employée ( contacts secs ou transistors), il existe 2 types de circuits de sorties, dont les noms varient suivant les constructeurs :

-          «normalement ouvert» (NO), encore appelé «à fermetu re de circuit» (F) ou « travail » (T) ou « à établissement de circuit » ;

-          «normalement fermé» (NF), encore appelé «à ouvertur e de circuit» (O) ou «repos» (R) ou «à coupure de circuit».

Figure 8 - Contacts NO, NF et NO/NF

• La fréquence maximale de commutation, exprimée en Hertz

C'est le nombre maximum de commutations possibles par seconde: de quelques hertz à plusieurs kHz selon le détecteur.

• La portée nominale Sn, exprimée en mm

Uniquement définie pour un détecteur de proximité,elle correspond à la distance à laquelle l'élément peut être détecté. La portée réelle est généralement inférieure à la portée nominale (30% à 100% de Sn) : elle dépend de nombreux paramètres, en particulier du matériau de la cible.

Figure 9 - Portées d'un détecteur de proximité

• La course différentielle ou l’hystérésis H, exprimé en mm

C'est la différence de course entre les points d'enclenchement ( apparition d'un signal de sortie) et de déclenchement (disparition d'un signal de sortie) du détecteur. Dans le cas d'un détecteur de proximité elle est mesurée perpendiculairement à la face sensible et dans le cas d'un détecteur de présence selon l'axe de déplacement de l'organe de commande. En approche latérale la course différentielle est matérialisée par la zone située entre les limites d'enclenchement et de déclenchement (Figure 10).

Figure 10 – Zone d’enclenchement d’un détecteur inductif

• La répétabilité, exprimée en mm

Elle correspond à la plage de tolérance de la position d'enclenchement lorsque l'élément à détecter est soumis à des détections répétées. Elle caractérise la capacité du détecteur à commuter en une même position.

h) Détecteurs de présence à action mécanique: détection par contact

Encore appelés interrupteurs de fin de course, interrupteurs de position, détecteurs de position ou, improprement, capteurs de fin de course. Ce sont des commutateurs commandés par le déplacement d'un organe de commande ( corps d'épreuve ) .

Lorsqu'ils sont actionnés, ils ouvrent ou ferment un ou plusieurs circuits électriques ou pneumatiques. Ce sont des détecteurs Tout Ou Rien (TOR).

Figure 11 - Typologie des détecteurs de présence par contact

Les détecteurs pneumatiques sont peu à peu remplacés par des détecteurs à sortie électrique pour plusieurs raisons :

-          La mise sur le marché de petits automates programmables à quelques entrées sorties et à faible coût. Dans ce cas de fi gure, les détecteurs pneumatiques doivent être interfacés, ce qui augmen te le coût de l'application ;

-          Le développement de détecteurs électroniques capables de travailler dans des ambiances explosives.

i)     Détecteurs de proximité sans contact

Si l'on excepte la technologie fluidique, de moins en moins employée, les détecteurs de proximités sans contact sont conçus comme des capteurs utilisant un système à détection de seuil (permettant ainsi de générer unsignal de sortie de type TOR). Compte tenu de leur coût, de leur durée de vie et de l'absence de contact direct avec les éléments à détecter, ces détecteurs de proximités sont de plus en plus utilisés.

Les détecteurs à effet Hall possèdent une partie libre qui est fixée sur l'objet à détecter. Ils sont en contact avec cet objet, mais la détection s’effectue à distance.

Figure 12 - Typologie des détecteurs de proximité sans contact

j)     Détecteurs de position implantables sur vérins

Ces détecteurs existent dans toutes les technologies (Figure 13). Ils sont fixés directement sur le corps d'un vérin ce qui simplifie l'installation des moyens d'acquisition des informations de position des mobiles mus par vérin.

Il faut toutefois noter que l'information délivrée concerne la position de la tige du vérin et non la position de l'objet déplacé ou bridé. Cela peut parfois être la cause de problèmes liés à la sécurité et à la disponibilitédes installations.

Figure 13 - Typologie des détecteurs implantables sur vérin

k)  Détecteurs de pression

La plupart des systèmes utilisant l'énergie pneumatique (ou hydraulique) sont conçus pour fonctionner avec une pression minimale dans le circuit de puissance. Ce seuil de pression peut être détecté par un détecteur appelé pressostat.

De la même manière, certain systèmes automatiques utilisent le vide pour assurer certaines fonctions opératives, il peut ainsi être utile de mesurer une dépression (génération de vide, ventouses, ...) avec un détecteur appelé vaccuostat.

-          Les pressostats

Ils ont pour fonction de détecter un seuil de pression dans un circuit hydraulique, pneumatique, et plus généralement de tout corps liquide ou gazeux, le seuil étant généralement réglable. Il existe également des presostats à double seuil, permet-tant la régulation tout ou rien de la pression du fluide. Le signal de sortie de ces détecteurs est du type TOR sur contacts secs à ouverture ou à fermeture. La plage de fonctionnement évolue typiquement entre 1 bar et plusieurs centaines de bars en hydraulique.

Exemple :

Pressostat de contrôle de la pression d'air dans un circuit pneumatique 6 bars. Si la pression descend en dessous d'un seuil préréglé (aux alentours de 4 bars), le pressostat déclenche une procédure de sécurité.

Figure 14 - Pressostat électronique à double seuil (document Schneider)

-          Les vacuostats

De la même manière que les pressostats, les vacuost ats permettent de contrôler un seuil de dépression.

Exemple :

Vacuostat de compte rendu « dépression obtenue » da ns un circuit pneumatique alimentant une ou des ventouses. Cette information permet de valider le fait que l'objet est correctement saisi par la ventouse.

II.3.Les capteurs industriels

l)     Mode de fonctionnement des capteurs

Les capteurs industriels peuvent se présenter sous des formes très diverses, tant ils sont variés, nombreux et en constante évolution. Toutefois, certains points communs peuvent apparaître au niveau des fonctions internesréalisées par des constituants typiques ainsi qu'au niveau du mode de fonctionnement du capteur.

Les capteurs fonctionnent selon deux principes de base suivant l'origine du signal électrique de sortie :

-          les capteurs actifs ( fonctionnant en générateurs) ;

-          les capteurs passifs (fonctionnant en modulateurs).

• Les capteurs actifs

Une partie de l'énergie prélevée sur le mesurande est transformée directement en énergie électrique constituant le signal de sortie. Ce signal peut être: un courant, une tension ou une quantité d'électricité ( dans le casd'un signal de faible puissance une amplification peut être nécessaire.

Figure 15 - Capteur (actif) de température à thermorésistance platine (doc IFM électronic)

Figure 16 - Capteurs actifs: principes physiques utilisés

• Les capteurs passifs

C'est l'impédance du capteur qui est sensible aux variations du mesurande. Un module de préconditionnement électronique sera nécessaire pour mesurer les variations d I’impédance.

Ces capteurs sont alimentés par une source d' énergie extérieure (tension continue ou alternative, courant).

Le signal de sortie est généralement une tension continue modulée en fréquence.

Exemple :

Capteurs de pression à diaphragme, capteurs de force à jauges, accéléromètres sismiques, anémomètres à héIice, débitmètre à turbine, couplemètres, gyromètres à gyroscope, etc.

Figure 17 - Débitmètre à turbine (doc KOBOLD)

Figure 18 - Capteurs passifs: principes physiques et matériaux

1. Cas particulier des capteurs de vitesse et de position munis d'un élément mobile

Il s'agit de capteur dont le corps d'épreuve est un élément mobile, guidé en translation ou en rotation, lié mécaniquement au solide dont on désire mesurer la position ou la vitesse. Le corps d'épreuve est particulier, en ce sens qu'il ne réalise pas une conversion de la grandeur physique à mesurer mais un couplage avec le dispositif interne optique ou électromagnétique.

Exemple :

Codeurs optiques incrémentaux et absolus, règles optiques, tachy-codeurs, capteurs LVDT, capteurs inductifs à noyau plongeur, capteurs potentiométriques, synchromachines, resolver, règles inductosyn, génératrices tachymétriques, capteurs à effet hall, etc.

Figure 19 – Capteur de déplacement rectiligne inductif LVDT avec sa tige mobile (doc Chauvin & Arnoux)

1. Typologie des principaux capteurs de grandeurs mécaniques et de température

Les figures 20 et 21 proposent une typologie prenant en compte la technologie, la structure et l'absence ou non de contact avec le corps physique à mesurer. Cette typologie est limitée aux capteurs de grandeurs mécaniques telles que position, vitesse, accélération, force, couple, pression, debit, ainsi qu'aux capteurs de température.

Figure 3.20. Typologie des capteurs distants, sans contact avec le corps physique supportant le mesurande (capteurs actifs en gris)

Figure 3.21. Typologie des capteurs en contact avec le corps physique supportant le mesurande (capteurs actifs en gris)

1. Principales caractéristiques métrologiques des capteurs (norme AFNOR NF XO7001 , Instruments de mesurage, vocabulaire)

-          Fidélité : la fidélité est l'aptitude à donner pourune même valeur de la grandeur mesurée, des indications concordant entre elles. Les résultats du mesurage sont groupés autour de leur valeur moyenne.

-          Justesse : la justesse est l'aptitude à donner des indications égales à la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n'étant pas prises en considération.

-          Précision : c’est la qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des indications qui, individuellement, sont proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée: un capteur précis est à la fois ustej et fidèle. L’erreur de précision est généralement exprimée en pourcentagede l'étendue de mesure ou de la pleine échelle % P.E.

-          Sensibilité : pour une valeur donnée de la grandeur à mesurer Eo, la sensibilité s'exprime par le quotient de la variation de la grandeur de sortie S par la variation correspondante de la grandeur mesurée.

-          Étendue de mesure : c'est la différence algébriqueentre les valeurs extrêmes pouvant être prises par la grandeur à mesurer. Les performances métrologiques du capteur ne sont garanties qu'à l'intérieur de l'étendue de mesure. On appelle portées les valeurs limites de la grandeur à mesurer correspondant à cette étendue de mesure, la portée minimale n'étant pas toujours nulle.

Figure 22 - Illustration graphique des caractéristiques de fidélité, justesse et précision

Approche descendante de la conception-réalisation de la commande

Au cours des différentes étapes du cycle de vie, de la conception générale à la réalisation, l'approche de conception de la commande est progressive. Elle est menée parallèlement à la définition des organes dela partie opérative. Ainsi, la frontière de description du comportement de la commande à décrire évolue et les entrées-sorties considérées sont caractérisées différemment selon la frontière concernée. Le point de vue dominant est celui du concepteur de la commande, même s'il est amené à intégrer d'autres points de vue dans son travail (conducteurs, régleurs, mainteneurs, responsables d'exploitation, ...). Dans l'approche progressive, trois grands objectifs de modélisation du comportement peuvent être identifiés :

-          description du comportement de la commande du procédé ;

-          description du comportement de la commande d'organes de la partie opérative, permettant d'agir sur le produit ou d'informer l'opérateur ;

-          description des ordres codés, élaborés par la commande programmée.

III.1.Commande du procédé

Étape du cycle de vie : conception générale.

Point de vue : du concepteur de la commande.

Objectif : décrire le comportement de la commande du procédé.

Figure 23 - Commande d’un procède

Il s'agit de décrire alors la gamme d'opérations (amener les cartons, ...) pour obtenir la valeur ajoutée, à partir d'informations sur l'état du produit et des opérations (cartons amenés, ...). Aucun effecteur, actionneur ou capteur n'est supposé connu. Ce travail d'analyse s'effectue au stade de la conception générale ou lors de la description d'un système existant pour faire comprendre le procédé d'obtention du produit.

L'exemple, Figure 23, concerne la commande du procédé de formation d'une rangée de 2 cartons. Il s'agit donc de décrire la gamme d'opérations nécessaires (« faire avancer le carton», «pousser le carton») pour forme r une rangée de 2 cartons, a partir des informations « carton en place », « cart on poussé ». Les deux informations d'entrée associées à une flèche en pointillé sont ssuesi de niveaux de décision supérieurs ( conduite et coordination).

III.2.Commande des organes permettant d'agir sur la partie opérative etd'informer l'opérateur

Étapes du cycle de vie : conception générale et détaillée. Point de vue : du concepteur de la commande.

Objectif : décrire le comportement de la commande des organes (mouvements deseffecteurs, mouvements des actionneurs, pré-actionneurs) de la partie opérative permettant d'agir sur le produit ou d'informer l'opérateur (signalisation visuelle ou sonore destinée aux opérateurs).

Selon les choix techniques effectués sur la partie opérative, on peut distinguer trois niveaux de finesse dans cette analyse :

-          commande des mouvements des « effecteurs » : les effets successifsattendus sur le produit et la PO (convoyage cartons...) sont décrits à partir d'informations sur l'état du produit et des effecteurs (cartons en butée...). L'architecture générale de la PO et les effecteurs sont connus, mais aucun actionneur ou capteur n'est supposé connu ;

Figure 24 - Commande des effecteurs permettant la formation d'une rangée de cartons

-          commande des mouvements des « actionneurs » : les comportementsattendus des actionneurs (les actions : avance vérin V4, rotation moteur M6...) sont décrits à partir des informations logiques fournies par les capteurs (D11 actionné) et le pupitre. Les pré-actionneurs ne sont pas précisés, aucun élément technique n'est connu sur la partie commande ;

Figure 25 - Commande des actionneurs permettant la formation d'une rangée de cartons

-          commande des «pré-actionneurs» : les comportements successifs despréactionneurs (EV4, KM6), donc des actionneurs (alimentation V4 sens +, alimentation V4 sens -réalisé grâce au retour par ressort de l'électrovanne, alimentation M6) sont décrits. A ce moment là, la partie opérative est entièrement connue.

Figure 26 - Commande des pré-actionneurs permettant la formation d'une rangée de cartons

III.3.Commande programmée

Étape du cycle de vie : réalisation.

Point de vue : du programmeur.

Objectif : décrire les ordres codés, élaborés par la commande programmée.

-          Il s'agit de décrire comment sont élaborées les sorties de la commande programmable (%Q4.10; %Q2.3) à partir des entrées capteurs (%I3.3; %I3.4; %I1.14; %I1.13; %I3.5; %I3.12; %I.3.13). C'est l'ensemble du traitement qui est alors pris en compte, y compris le traitement logique intégré dans les schémas câblés (mise en marche, sécurités, ...).

-          La partie opérative n'est vue ici qu'à travers les entrées/sorties logiques de la partie commande, donc uniquement sous forme informationnelle. Souvent le concepteur est aussi le programmeur, car l'élaboration des modèles de comportement se fait directement dans des ateliers logiciels capables de générer automatiquement le code pour la commande programmée.

Figure 27 - Elaboration des ordres codés, élaboréspar la commande programmée

IV.Réalisation d’une commande

Réaliser une partie commande, c'est créer un ensemble de circuits capables de contrôler les énergies, de traiter l'information et de communiquer avec son environnement, dans le but de commander et de piloter des parties opératives d'un système automatique.

IV.1.Mixité câblé-programmé

Le développement de la micro électronique et de ses capacités d'intégration considérables a permis l'essor de la logique programmée. La réalisation matérielle des chaînes fonctionnelles d'un équipement automatisé et les liaisons avec l'environnement (interfaces homme/machine, communication entre diverses commandes, ...) nécessitent toutefois l'interconnexion des divers composants ou constituants par câblage. Le câblage consiste à relier les composants ou constituants de manière à véhiculer les énergies et les signaux selon une logique permettant le fonctionnement attendu.

IV.2.Réalisation par câblage

De plus en plus, les équipements automatiques sont réalisés autour de constituants standard couvrant des cas les plus élémentaires ( commandes logiques) aux plus complexes ( fonctions d ' asservissement, de communication, etc.). D'autres technologies de commande (cartes électroniques standard ou spécifiques) sont employées quand le nombre d'équipements, identiques est important et que les coûts de développement d'un ensemble singulier sont compatibles avec l'économie du projet.

-          Entrées fonctionnelles et de sécurité

Les entrées fonctionnelles sont celles qui permettre de contrôler le processus, dans le cadre de son évolution normale.

Les entrées de sécurité sont relatives au contrôledu processus en cas d'anomalies et de dysfonctionnements. Ces entrées doivent permettre d'interrompre le plus rapidement possible le processus, ou le conduire vers un comportement orienté afin d'éviter ou de limiter les dégâts aux personnes et aux biens.

Il est recommandé de ne pas faire confiance au seul automate programmable pour assurer la gestion des fonctions de sécurité et préconisait le recours aux solutions câblées extérieures. En effet, les modes de défaillances des constituants électroniques, peuvent induire des comportements catalectiques (toutes les sorties actives par exemple en cas de court-circuit), à l'inverse des composants électromécaniques, plus robustes et dont la défaillance est généralement circonscrite au procheenvironnement.

En tout état de cause, il est nécessaire de s'assurer :

• que la gestion des fonctions de sécurité soit séparée de la gestion de la partie fonctionnelle ;
• que les fonctions de sécurité soient figées et nonmodifiables par l’utilisateur. La coexistence des logiques câblées et programmées est la règle dans une majorité d'applications pour la réalisation des circuits de sécurité et de le de l'énergie (Figure 28).

Figure 28 – Commande mixte d’une chaîne fonctionnelle

Toutefois, certains constructeurs s'appuyant sur une meilleure connaissance des modes de défaillance, et des constituants plus sûrs proposent, pour les équipements de production, des solutions à partir de composants électroniques et d'automates dédiés sécurité.

-          Commande avec entrées de sécurité câblées

En logique électrique, l'élément technologique de base est le contact « à établissement de circuit» (la variable complémentée est matérialisée par le contact « à interruption de circuit » ). Ce contact peut être actionné mécaniquement (b outon-poussoir, fin de course), ou

électro-mécaniquement (relais ou contacteur).

La figure 29 empruntée à la notice du palettiseur illustre cette technique. Par exemple, la bobine du contacteur KM3 (descente de élévateur) sera alimentée si la sortie Q2.5 est activée et si les fins de course S12 (Fc2) et S13 (Fc3), ne sont pas actionnés, de même que le contact d'inter verrouillage KM2 (KM2 non alimenté).

La mise en série des contacts à ouverture réalise une fonction de sécurité (cas de la figure 29 ). Quelques règles générales sont à retenir :

-          les ordres d'arrêts (sécurité d'arrêt) sont associé s à des contacts à ouverture.

-          les contacts de sécurité F10 ( RT1 ) ( Figure 29) agissent directement sur l’alimentation du préactionneur. Cela permet des réactions plus sûres et plus courtes (liaison directe avec le préactionneur) ;

-          le traitement est doublé (redondance : le contact F10 (RT1) est également une entrée de l'automate ).

-          Principe d'une commande séquentielle câblée

La réalisation d'une commande séquentielle câblée (fonction mémoire) est illustrée par le schéma de la figure 30.

Figure 29 – Schéma de câblage des pré-actionneurs

L'appui sur le bouton-poussoir S2 permet l'alimentation de la bobine du relais K1, qui entraîne la fermeture des contacts associés. Un double circuit d’alimentation est donc réalisé. L'action sur S2 peut alors être relâchée, la bobine K1 continue à être alimentée par un de ses propres contacts, c'est l’auto alimentation ou «auto maintien». Cette activation durera tant que la bobine sera alimentée. Cette alimentation cessera par appui sur S1.

La fonction mémoire ainsi réalisée est une mémoireà arrêt prioritaire: le maintien de l'appui simultané sur S1 et S2 fera que la bobine ne sera pas alimentée. C'est la forme classique utilisée dans la commande des machines notamment pour la mise en énergie d'un système automatique. Il existe également des circuits électroniques ( câblés ou programmés ) remplissant cette fonction.

Figure 30 – Schéma de réalisation câblée d’une mémoire

V.1.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'a utomate (en général 24V continu) ou par une source extérieure.

Un automate programmable peut être à logique positive ou négative.

…

Entrées

AUTOMATE PROGRAMMABLE

1s0dcy

Ov	24v
	1	2	3	4	5

Entrées

AUTOMATE PROGRAMMABLE

Les détecteurs 3 fils ou électronique sont de deux types PNP ou NPN.

Pour un automate programmable la charge représente l'entrée.

Correspondance entre la continuité électrique d'un contact et le niveau de l'entrée associée.

Exemple :                       1 contact à fermeture (S1) et 1 contact à ouverture (S2) alimentés en

24 Vcc reliés à un module d'entrées d'automate programmable.

Les cartes d’entrées tout ou rien permettent de raccorder à l’automate les différents capteurs logiques tels que :

• boutons poussoirs
• pressostats

Entièrement programmable sur site par touches numériques sécurisées

• thermostats
• fins de course
• capteurs de proximité inductifs ou capacitifs
• capteurs photo-électriques

Acquisition des données avec l'interface portable munie d'un capteur photoélectrique.

• fibres optiques
• roues codeuses
• etc.

Elles assurent l’adaptation, l’isolement, le filtrage et la mise en forme des signaux électriques. Une diode électroluminescente située sur la carte donne l’état de chaque entrée.

Le nombre d’entrées sur une carte est de : 4, 8, 16, 32.

Les tensions d’entrées sont de : 24, 48, 110, 220 volts en courant continu ou alternatif. Les cartes d’entrées analogiques permettent de gérer des grandeurs analogiques en faisant varier un code numérique au sein du module. Il existe 3 types d’entrées analogiques :

• haut niveau qui accepte en tension 0/10V et en intensité 0/20 mA ou 4/20 mA ;
• pour thermocouple avec un signal d’entrée 0/20 mV, 0/50 mV, 0/100mV ;
• pour sonde Pt 100 avec un signal d’entrée 0/100 mV, 0/250 mV, 0/400 mV.

Sur le marché, il existe des modules à 2, 4, 8 voies d’entrées.

Les entrées analogiques disposent d’un seul convertisseur analogique /numérique, elles sont scrutées les unes à la suite des autres par un multiplexeur à relais.

V.2.Branchement des sorties

Le principe de raccordement consiste à envoyer un signal électrique vers le préactionneur connecté à la sortie choisie de l'automate dés que l'ordre est émis.

L'alimentation électrique est fournie par une source extérieure à l'automate programmable.

Correspondance entre le niveau logique de la sortie et la continuité de la bobine associée.

Exemple : 1 bobine de contacteur (KM1) alimentée en 24 Vcc pilotée par une sortie relais d'automate.

Etat de la bobine KM1 :       - "Activée" si le résultat du transfert est "1"

- "Repos" si le résultat du transfert est "0"

Les cartes de sortie tout ou rien permettent de raccorder à l’automate les différents pré-actionneurs tels que :

• Vannes

Vanne

Eléctomagnétique

Pour distribution d'eau à une température comprise entre 1° et 60°C, sous 10 bars maxi, On utilise une vanneélectromagnétiquede

o     Débit : 36 litres/minute, sous 6 bars

o     Courant d'appel : 26 VA. Courant de maintien : 14

VA

o Raccordement par taraudage 15 x 21 (1/2 '' gaz cylindrique)

o     Branchement électrique par connecteur

o     Alimentation : 2 modèles : 12 V / 50 Hz ou           24 V /50 Hz

• Contacteurs
• Voyants
• Electrovannes

Vanne permettant d'ouvrir et de fermer un circuit d'eau par une commande électrique 24V.

• Relais de puissance

Pour le pilotage de vos éléments chauffants résistifs en monophasé ou triphasé

• Afficheurs
• etc.…

Les tensions de sorties usuelles sont de 5 volts en continu ou de 24, 48, 110, 220 volts en continu ou en alternatif.

Les courants vont de quelques milliampères à quelques ampères.

Ces cartes possèdent soit des relais, soit des triacs, soit des transistors. L’état de chaque sortie est visualisé par une diode électroluminescente.

Les cartes de sortie analogiques permettent de gérer des grandeurs analogiques en faisant varier un code numérique au sein du module. Il existe deux grands types de cartes de sorties :

• Haut niveau avec une résolution de 8 bits en tension 0/10 V ou en intensité, 0/20 mA ou 4/20 mA ;
• Haut niveau avec une résolution de 12 bits en tension 0/10V, 0/5V, ±5V, ±10V ou en intensité 0/20mA ou 4/20mA.

Ces modules assurent la conversion numérique/analogique.

L’intensité ou la tension est proportionnelle à la valeur numérique.

Avec les résolutions 8 bits il y a 256 valeurs numériques possibles, tandis qu’avec les résolutions de 12 bits il y en a 4096.

Les sorties analogiques peuvent posséder un convertisseur par voie. Le nombre de voies sur ces cartes est de 2 ou 4.

SOMMAIRE

Présentation du Module...................... 3

RESUME THEORIQUE...................... 4

I. Introduction ..................... 5

I.1. Structure d'une chaine d’acquisition ............5

II. Les constituants d'acquisition de données................. 10

II.1. Les constituants d'acquisition de consignes fournies par un opérateur ..10

II.2. Les détecteurs industriels .................12

II.3. Les capteurs industriels ....................17

III. Approche descendante de la conception-réalisation de la commande .......... 22

III.1. Commande du procédé ....................22

III.2. Commande des organes permettant d'agir sur la partie opérative et d'informer l'opérateur..23

III.3. Commande programmée..................25

IV. Réalisation d’une commande................... 26

IV.1. Mixité câblé-programmé ...................26

IV.2. Réalisation par câblage ....................26

V. Les Modules Entrées–Sorties .................. 29

V.1. Branchement des Entrées TOR.................29

V.2. Branchement des sorties ..................32

V.3. Recherche des dysfonctionnements..........36

VI. Les Langages de programmation ............ 38

VI.1. Le mode de programmation LADDER ................38

VI.2. Le mode de programmation SEQUENTIEL ........38

VI.2.1. Le séquentiel........................ 39

VI.2.2. Le postérieur ........................ 41

VI.3. Les blocs fonction prédéfinis (FB)..............45

VI.3.1. Le temporisateur .................. 45

VI.3.2. Le compteur ................ 48

GUIDE DES EXERCICES ET TRAVAUX PRATIQUES ................ 76

TP 1 :............................. 77

TP 2 :............................. 78

TP 3 :............................. 79

TP 4 :............................. 82

TP 5 :............................. 83

TP 6 :............................. 84

EVALUATION DE FIN DE MODULE.................. 85