Chapitre 2 :Etude fonctionnelle et temporelle
1. Analyse fonctionnelle
1.2. La méthode SADT
L'acronymeS.A.D.T signifier :System Analysis and Design Technic. Cette méthode a été mise au point par la société Softech aux Etats Unis. Laméthode SADT est une méthode d'analyse par niveaux successifs d'approche descriptive d'un ensemble quel qu'il soit. Nous pouvons appliquer le SADT à la gestion d'une entreprise tout comme à un système automatisé.
Le SADT va permettre d'aider à la gestion d'un projet. Par son rôle d'analyse, il sera possible de l'utiliser à tous niveaux de la conception du SA au codage (programmation du système automatisé).
Le SADT est avant tout un langage de communication. Cette communication se fait à différents niveaux. Au niveau de l'élaboration du projet tout d'abord en permettant par son formalisme à chacun de participer, ensuite lors d'explications à des intervenants extérieur eus son formalisme permet à chacun d'appréhender le SA (Système Automatisé).
La fonction principale de l’atelier illustrée par la figure consiste au broyage du calcaire, marne et minerai de fer: Cette fonction réalisée par un broyeur à galets nécessite, du gaz chaud ainsi qu’un ensemble de contrôles tels que l’énergie électrique(w), l’exploitation(E) et l’ordre de mise en marche et les consignes depuis l’interface Homme/Machine, et des réglages des paramètres (R).
C R W E
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 14:Actigramme A-0 : fonction principale de l’atelier de broyage
Afin de mieux assimiler son fonctionnement, l’atelier de broyage a été subdivisé en cinq fonctions principales : Communiquer avec le système, gérer le système, transférer l’énergie,
broyer les mélanges cruset finalement détecter les positions, les niveaux et mesurer les températures. La notion de groupe facilite l’organisation de la séquence marche, la programmation et surtout la supervision pour l’opérateur puisqu’elle clarifie la gestion des alarmes et la détermination des défauts du processus.
Figure 15:Actigramme A0 : fonction principale de l’atelier de broyage
Etude fonctionnelle et temporelle
Transporter la matière vers le broyeur
Alimenter le broyeur par le gaz chaud
Broyer et séparer la matière dans le broyeur
Homogénéisation
Filtrer la matière
Transporter la matière vers le silo
Stocker la matière
Figure 16 :Actigramme A4 : fonction broyer la matière 1.3.Analyse temporelle : GRAFCET
1.3.1. Les modes
Nous allons dresser le GRAFCET relatif au mode central.
Les autres modes seront traités directement à partir de l’interface. En effet pour le mode local, il suffit d’activer par un clic l’unité à choisir. Quant au mode maintenance, permet à figer le fonctionnement en cours c’est-à-dire local avec verrouillage.
1.3.2. GRAFCET point de vue système
Le programme principal proposé (figure n°17) décrit le fonctionnement de tout l’atelier et permetde gérer les transitions entre les étapes.
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 17: GRAFCET point vue système 1
Transporter la matière vers le broyeur
Matière au niveau de broyeur
Alimenter le broyeur avec le gaz chaud
Broyeur prêt
Broyer la matière
Matière broyée
Séparer la matière fine du grand
Matière fine
Matière au niveau des silos
0 Attente
Mise en marche
Etude fonctionnelle et temporelle
1.3.3. GRAFCET de démarrage
La modélisation par grafcet du démarrage de l’atelier de broyeur a. cru est illustrée par la figure ci-dessus. Il représente l’acheminement séquentiel du démarrage de l’atelier. Ce dernier, est effectué dans le sens contraire du cycle de production (voir annexe 1).
V02=1
Etude fonctionnelle et temporelle
P21=1
V01=1
F01=1
S01=1
VX1 VX2 VX3 VX4 VX5 VX6
S02=1
𝐴𝑈𝑃21. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑃21. 𝑅𝑀𝑃21. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇.𝑃21. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑃21
𝐴𝑈𝑉𝑋𝑛. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉𝑋𝑛. 𝑅𝑀𝑉𝑋𝑛. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉𝑋𝑛. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉𝑋𝑛
𝐴𝑈𝑉01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉01. 𝑅𝑀𝑉01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉01. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉01
𝐴𝑈𝐹01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝐹01. 𝑅𝑀𝐹01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝐹01. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝐹01
𝐴𝑈𝑆01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑆01. 𝑅𝑀𝑆01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑆01 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑆01
V03=1
RX1=1
RX2=1
S07=1
𝐴𝑈𝑉03. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉03. 𝑅𝑀𝑉03. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉03 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉03
𝐴𝑈𝑆07. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑆07. 𝑅𝑀𝑆07. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑆07. 𝑇𝐸𝑀𝑃𝑀𝐴𝑋
𝑆𝐸𝑃𝑆07< 90 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑆07 𝐴𝑈𝑅𝑋2. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑅𝑋2. 𝑅𝑀𝑅𝑋2. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑅𝑋2. 𝐷𝐸𝐵𝑇𝐸𝑇𝐸𝑅𝑋2. 𝐷𝐸𝐵𝑃𝐼𝐸𝐷𝑅𝑋2. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑅𝑋2
𝐴𝑈𝑅𝑋1. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑅𝑋1. 𝑅𝑀𝑅𝑋1. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑅𝑋1. 𝐷𝐸𝐵𝑇𝐸𝑇𝐸𝑅𝑋1. 𝐷𝐸𝐵𝑃𝐼𝐸𝐷𝑅𝑋1. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑅𝑋1
Etude fonctionnelle et temporelle supports (racks) dans lesquels viennent s’enficher les différents modules fonctionnels :
L’alimentation 110/220 VCA ou 24 VCC
L’unité centrale de traitement à base de microprocesseur,
Des cartes d’entrées/sorties logiques (TOR),
Des cartes d’entrées/sorties analogiques (ANA),
Des cartes de comptage rapide,
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 19: principe de lecture et commande de l’API 2.2.Critères de choix
Lors de cette étape, nous avons passé à la déclaration des besoins du système en nombre d’entrées/ sorties afin de pouvoir choisir l’automate le plus adapté.
2.2.1. Critères techniques
Lors de l’étude des documents qui nous ont été fournis, nous avons classé les entrées et les sorties en trois groupes :
Entrées Tout ou Rien (TOR) : Ce sont des capteurs tout ou rien ou les boutons et commutateur, leurs signaux de sortie sont soit à 0 soit à 1. Nous citons par exemple les capteurs de détection, des capteurs inductifs, des fins de course etc.
Entrées Analogiques : Ce sont des capteurs dotés de convertisseurs qui transforment les grandeurs physiques en mesure électrique (4 à 20 mA). Nous citons par exemple des capteurs de températures, de vibration etc. Ils fournissent au système une mesure analogique exacte en temps réel. Ils nécessitent un traitement supplémentaire lors de la programmation qui consiste à la mise à l’échelle de la mesure obtenue.
Sortie Tout ou Rien (TOR) : Ce sont les sorties de commandes des moteurs, des ventilateurs, des bandes etc.
En conclusion, notre application nécessite 231 entrées de type TOR, 15 entrées analogiques et 56 sorties de type TOR.Sur la base de ce nombre d’entrées et de sorties et la taille du programme nous allons choisir l’automate approprié de la famille Siemens
2.3.Choix retenue de l’automate
Vu le choix de la société qui s’est porté sur l’utilisation des automates Siemens, 3 références
Etude fonctionnelle et temporelle
Tableau 1: comparaison des caractéristiques d’automate siemens
Critère\Automate S7 200 S7 300 S7 400
8192/8192 octets 16384/16384 octets
Temps d’exécution
1400Ko (CPU 319) 30Mo (CPU 319)
Décision Non retenu Retenu Non retenu
Vu le nombre d’entrées et de sorties de l’ensemble de l’atelier, nous remarquons que l’automate S7 200 ne peut pas satisfaire les besoins du projet, contrairement aux deux autres automates. Mais vu le prix élevé du S7 400, le choix s’est porté sur l’automate S7 300.
2.3.1. Présentation de l’automate S7300
Etude fonctionnelle et temporelle
Tableau 2 : Comparaison des CPU de l'automate S7300
Vu le nombre d’entrées et de sorties, le nombre des temporisateurs et des compteurs, le temps d’exécution, l’utilisation de la communication avec un pupitre opérateur ainsi que le besoin de l’entreprise pour une extension ultérieure, le choix du processeur s’est porté sur CPU 315-2DP.
3. Câblage de l’automate
Cette partie est réservée pour mettre en contact les entrées et les sorties TOR du système traité aussi les entrées analogiques pour cela nous avons besoin des cartes d’E/S.
CPU CPU 312 CPU 313 CPU 314 CPU 315C -2DP Conclusion Non retenue Non retenue Non retenue Retenue
Etude fonctionnelle et temporelle
3.1.Câblage des entrées TOR
Le principe du câblage des entrées TOR est très simple, il est définipar alimenter tout d’abord l’automate avec une tension de 0V et 24V puis lier les entrées disponibles avec des contacteurs comme le présente la figure n°20.
Figure 20:Câblage des entrées TOR d’un automate 3.2.Câblage des sorties TOR
La figure n°21nous identifie comment la carte de sortie est câblée. Chaque sortie est liée à une résistance thermomagnétique.
Figure 21: Câblage de sorties 24 V
Etude fonctionnelle et temporelle
3.3.Câblage des entrées analogiques
Le câblage des entrées analogiques est un petit peu différent que le câblage des entrées TOR.
Conclusion
Ce chapitre résume la démarche que nous avons suit lors de l’automatisation de l’atelier de broyage a cru.
En premier lieu, nous avons entamé la partie de l’analyse fonctionnelle par l’utilisation de la méthode SADT, pour passer ensuite à l’illustration du câblage de l’automate.
Une explication plus détaillée de cette dernière tâche sera traitée dans le chapitre suivant.
Mise en œuvre de la solution
Chapitre 3:
Mise en œuvre de la solution
Mise en œuvre de la solution
Introduction
Nous nous intéressons dans ce chapitre à développer le nouveau système de contrôle commande de l’atelier du broyage après avoir déterminé les spécifications fonctionnelles et techniques, Pour ce faire, nous commençons par donner une idée sur l’architecture des automates, ensuite nous commençons l’établissement du nouveau système, pour ce faire, nous passons par la programmation de l’automate sous Step7.
1. Réalisation du programme
1.1. Représentation du logiciel STEP7 professionnel
Dans cette partie du chapitre, nous allons décrire l’outil de la programmation du broyeur à cru. Pour la réalisation du projet nous avons intérêt à utiliser le logiciel STEP7.
Le STEP7 fait partie de l’industrie logiciel SIMATIC. Il représente l’outil de base pour la configuration et la programmation, ainsi le test et la maintenance des systèmes d’automatisation à base d’automate S7-300. Il intègre aussi différents outils pour faciliter le travail, tels que :
Une interface utilisateur SIMATIC manager commune à tous les outils logiciels intégrés et optionnels.
Figure 22: SIMATIC manager
Nous allons traverseraussi différentes langage de programmation tel que : graphe séquentiel S7-GRAPH, langage structuré S7-SCL, schéma à contact, listes d’instructions etc.
S7-PLCSIM : c’est un logiciel de simulation qui permet de tester le programme sans disposer d’un automate réel.
Figure 23: Simulateur S7-PLCSIM
Mise en œuvre de la solution
Pour la réalisation de notre projet nous avons intérêt à adopter le langage à contact qui est un langage très proche du schéma électrique.
1.2. Présentation du logiciel de programmation STEP7 V5.5
Après avoir choisi l’automate ainsi que le CPU, nous sommes passés à la partie de la programmation. Nous avons utilisé le logiciel STEP7 V5.5 qui représente le logiciel de base pour la configuration et la programmation des systèmes automatisés SIMATIC.
Ce dernier offre plusieurs avantages :
Possibilité d'extension grâce aux applications proposées parl'industrie logicielle SIMATIC.
Possibilité de paramétrage des modules fonctionnels et de communication.
Communication par des données globales.
Transfert des données commandées par événement à l'aide des blocs de communication et des blocs fonctionnels.
Configuration des liaisons.
1.2.1. Différents Blocs
STEP7 offre la possibilité de décomposer un programme utilisateuren un ensemble de blocs, pour qu’il soit bien traité.
Blocs d'organisation OB : les blocs d'organisation constituentl'interface entre le système d'exploitation de la CPU S7 et leprogramme utilisateur. C'est dans ce bloc que nous définissonsl'ordre d'exécution des blocs du programme utilisateur.
Blocs fonctionnels FB : les blocs fonctionnels sont des blocs decode à données statiques. Le FB disposant d'une mémoire, il estpossible d'accéder à ses paramètres à partir de n'importe quelleposition du programme utilisateur. Ils sont utilisés généralementpour les tâches répétitives telles que le fonctionnement des moteurs,les convertisseurs analogiques, les régulateurs, etc.
Blocs de fonctions FC : les fonctions sont des blocs de code sans mémoire. De ce fait, il faut que les valeurs calculées soient traitées aussitôt après l'appel de la fonction.
Blocs de données DB : les blocs des données sont des zones servant à mémoriser les données utilisateur. Nous distinguons les DB globaux auxquels tous les blocs de code ont accès et les DB d'instance qui sont associés à un appel de FB déterminé.
Contrairement à tous les autres blocs, les blocs de données necontiennent aucune instruction.
Mise en œuvre de la solution
1.3. Elaboration du programme de commande
Pour créer un nouveau projet avec le logiciel STEP 7 nous allons suivre les étapes illustrées dans la figure n°24.
Figure 24: Etapes de création de projet avec le logiciel STEP 7
Nous avons passé par ces différentes étapes afin de créer notre projet. Dans ce qui suit, nous allons les détailler afin de démontrer l’importance de chacune d’elles.
1.3.1. Création d’un nouveau projet et configuration matérielle
La création d’un nouveau projet se fait à l’aide d’un assistant danslequel nous définissons le nom du projet ainsi que le type de CPU utilisé disponible depuis le menu Fichier. Une fois le projet est nommé, nous passons à la configuration matérielle.
Cette configuration est la disposition de profilés support ou châssis, de modules, d'appareils de la périphérie décentralisée et de cartouches interface dans une fenêtre de station. Les profiles support ou châssis sont représentés par une table de configuration, dans laquelle nous pouvons afficher un nombre défini de modules, tout comme dans les profilés support ou châssis "réels".
Pour réaliser cette configuration, nous allons utiliser la fenêtre « Catalogue du matériel » dans laquelle nous allons sélectionner les composants matériels requis.
Nous allons définir, dans ce qui suit, la liste de matériel utilisé lors de notre projet:
Deux châssis
CPU 315-2DP
Création d’un nouveau projet Configuration du matériel
Configuration de communication Gestion de mnémonique
Elaboration du programme Simulation du projet
Mise en œuvre de la solution
Module d’entrées :
5 modules d’entrées TOR de type SM321 DI32xDC24V
Un module d’entrée analogique de type SM 331 AI8x12Bits et 3 de type AI18x16Bits
Module de sortie :
2 modules de sorties TOR de type SM 322DO32xDC24V/0.5A.
La figure ci-dessousdécrit la configuration matérielle utilisée lors du projet.
Figure 25: Configuration matérielle
1.3.1.1.Configuration de la communication pupitre opérateur/l’automate
L’interconnexion des automates et leur liaison avec la PC/PG et les pupitres sont configurables grâce à NETPRO représenté dans la figure n°26.
Figure 26: Vue de l’interface NETPRO
Mise en œuvre de la solution
Cette liaison peut se faire en utilisant plusieurs protocoles de communication tels que le PROFIBUS et le MPI (Multi Point Interface).
Pour garantir la supervision, la communication entre l’automate programmable et le pupitre opérateur est assurée par PROFIBUS pour son extensibilité, la standardisation du matériel et une éventuelle mise en réseau.
1.3.1.2.Gestion des mnémoniques
Tableau 3: Mnémoniques locales et mnémoniques globales
Mnémoniques globales Mnémoniques locales Domaine de validité - Valables dans l'ensemble du
programmeutilisateur ; -Utilisés par tous les blocs ; - Leur signification est la même dans tous les
lequel ils ont été définis;
-Nous pouvons utiliser le même nom dans
- Données statiques d'un bloc données temporaires d'un bloc
Endroit de définition Table des mnémoniques Table de déclaration des variables du bloc
Nous avons utilisé les mnémoniques globales lors de l’affectation des adresses aux différents entrées et sorties. Quant aux mnémoniques locales, nous l’avons utilisé lors de l’élaboration
Mise en œuvre de la solution
En outre, nous avons utilisé des opérandes (entrées/sorties, mémentos, compteurs, temporisations, blocs de données et blocs fonctionnels) que nous avons adressé de manière absolue en premier lieu et de manière symbolique en second lieu.
Adressage symbolique
Pour l’adressage absolu il est composé d’un identificateur d’opérande et d’une adresse absolue, illustré par le tableau 4.
Tableau 4: adressage symbolique
Identificateur d’opérande : Types des indicateurs d’opérandes : Zone de mémoire : M
Zone des entrés : E Zone des sorties : A
Zone des temporisations : T Bloc de données : DB correction d’erreurs en affectant des noms symboliques aux adresses absolues.
Par exemple, nous faisons correspondre à l’adresse absolue E 21.0 une adresse symbolique telle que la disponibilité du ventilateur VX 2. La figure n°27est la vue de l’interface de l’éditeur des mnémoniques.
Figure 27:Vue de l’interface de l’éditeur de mnémoniques
Mise en œuvre de la solution
1.3.1.3.Description des blocs de programmation de l’automate
Une fois la définition de table des mnémoniques est établie, nous avons abordé la partie de la programmation.
Pour mieux structurer notre programme nous avons opté à l’élaboration des blocs qui gèrent des tâches bien précises. Ainsi notre programme sera composé de différents blocs OB, FB, FC et DB dont la fenêtre principale est présentée dans la figure n°28:
Figure 28: Fenêtre principale de programme Chaque bloc possède une fonction bien définie :
Mise en œuvre de la solution
OB1 : C’est le bloc dans lequel nous avons fait l’appel des différents blocs du programme utilisateur, en effet c’est un bloc d’exécution de programme. Il est illustré par la figuren°29 :
Figure 29: Bloc OB1
FB1 : c’est un bloc fonctionnel qui traite toutes les commandes de marche, tous les défauts, temporisation de fonctionnement, et l’animation de l’instrument à partir WIN CC flexible.
Figure 30: Extrait de quelques réseaux du bloc FB1
Mise en œuvre de la solution
FC4 : c’est la fonction qui gère le moteur du broyage M03. Toutes les entrées sont connectées, la commande du moteur en marche en résulte (voir annexe 2 et annexe 3).
Figure 31: FC5, fonction de moteur du broyage M03 avec les entrées/sorties
DB2 : c’est un bloc de données pour stocker les variables d’animation système qui vont être utilisées ultérieurement lors de la supervision.
Mise en œuvre de la solution
DB3 : C’est le bloc de données dans lequel tous les défauts de systèmes sont déclarés.
Figure 33: Bloc de données des défauts 1.4. Simulation du programme élaboré
Nous avons besoin de faire cette phase pour être certains de l’efficacité du programme. Cette phase est basée sur l’outil de simulationS7-PLCSIM. En effet, la simulation se fait en quelques étapes décrites comme-suit :
1ère étape : activation de la simulation. Cette étape est illustrée par la figure n°34qui montre l’icône du lancement de la simulation.
Mise en œuvre de la solution
Figure 34: Activation de la simulation
Un clic sur le bloc mis en gras, la fenêtre illustrée dans la figure n°35apparait.
Figure 35: Fichier Plc pour la gestion des entrées de l’automate
Dans cette figure, nous présentons le fichier Plc du programme à travers lequel toutes les
Mise en œuvre de la solution
2ème étape : chargement de tous les blocs système. La figure n°36 illustre cette étape.
Figure 36: Chargement des blocs
3ème étape : la mise du programme en mode ‘Run’
Figure 37: Mode ‘Run’
Nous pouvons maintenant tester le programme. La figure n°38illustre la visualisation du programme.
Figure 38: Visualisation du programme
Mise en œuvre de la solution
Conclusion
Ce chapitre résume la démarche que nous avons suit lors de l’automatisation de l’atelier de broyage a cru.
De plus, nous avons présenté le logiciel Step7 et ses fonctionnalités en indiquant aussi les critères de choix de l’automate pour élaborer enfin le programme qui sera supervisé.
Une explication plus détaillée de cette dernière tâche sera traitée dans le chapitre suivant.
Supervision de la chaine de broyage a cru
Chapitre 4 :
Supervision de la chaine de broyage a
cru
Supervision de la chaine de broyage a cru
Introduction
L’automatisation est accompagnée par des interfaces de supervisionpour mieux gérer et piloter les installations industrielles.
Généralement les outils de supervisions permettent d’améliorer la fiabilité, l’archivage et la lecture en temps réel de toutes les variables du procédé (les défauts, température, débit). Nous présenterons dans la suite, le logiciel développé pour la supervision du procédé de fabrication de ciment.
1. Notre choix
Siemens offre deux logiciels de supervision : Win CC FLEXIBLE et Win CC Explorer. Nous allons utiliser Win CC flexible 2008 car il répond à notre besoin selon les nombres d’entrées, sorties quel que soit TOR ou ANA.
2. Environnement du travail (WIN CC Flexible 2008) 2.1.Présentation
Le logiciel de supervision Win CC flexible sert à configurer desinterfaces utilisateur destinées à la commande des machines et desinstallations. Il peut s’agir de simples panneaux de commande pour lalecture de paramètres mais aussi de pupitres opérateurs complexes d’unechaîne de production. Suite à la création d’un nouveau projet sous Win CCflexible, l’écran de l’ordinateur affiche une série d’outils :
Fenêtre de travail
Zone de travail
Fenêtre des propriétés
Vue des objets
Supervision de la chaine de broyage a cru
La zone de travail
Sert à éditer les objets du projet. Tous les éléments de Win CC flexible sont disposés autour de la zone de travail. Au sein de cette zone, nous pouvons disposer, configurer, déplacer ou masquer les éléments.
La fenêtre du projet
Tous les éléments et tous les éditeurs disponibles d’un projet sont affichés dans l’arborescence et peuvent y être ouverts. Dans la fenêtre de projet, nous pouvons en plus accéder aux propriétés du projet et faire le paramétrage du pupitre utilisateur.
La fenêtre des propriétés
Elle est consacrée à l’édition des propriétés des objets comme les couleurs des graphiques.
Elle n’est disponible que dans certains éditeurs.
La fenêtre d’outils
Elle propose une sélection d’objets qui peuvent être insérer dans les vues tels que les objets graphiques et les éléments de commande.
Elle propose une sélection d’objets qui peuvent être insérer dans les vues tels que les objets graphiques et les éléments de commande.