Bus de terrain

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Bus de terrain

Les automates programmables industriels

Thèmes abordés

• L’automate programmable industriel

Str ct re et fonctionnement – Structure et fonctionnement

• Aperçu de la programmation avec les langages IEC 1131.

Bus de terrain - Systèmes de commande industriels 1

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Structure électronique d’une commande industrielle

• Ordinateur

E éc te le programme q i pilote l’installation – Exécute le programme qui pilote l’installation.

– Habituellement, ce programme

• Lit l’état des capteurs pour connaître l’état de l’installation.

• Définit l’état souhaité des actuateurs d’après le procédé à réaliser.

• Ecrit les commandes des actuateurs.

• Entrées Sorties

– Un système de commande comporte de nombreuses entrées et

Un système de commande comporte de nombreuses entrées et sorties.

– Selon le type de signaux à exploiter, on trouve des entrées sorties tout-ou-rien ou analogiques.

Systèmes de contrôle

Rappel de la structure et du fonctionnement d’un ordinateur

M M

Données (8) Contrôle (2) Adresses (16)

CPU Mémoire RA M

Contrôleur de Périphérique 1

Mémoire RO M

Elément Adresse

Contrôleur de Périphérique 2

Elément Adresse

ROM (programme de démarrage) 0000-1FFF

RAM (données) 2000-7FFF

Contrôleur Périphérique 1 (Entrées) A000-A00F Contrôleur Périphérique 2 (Sorties) A040-A07F

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Système de commande

L’automate programmable

• Système électronique à μP

Pré po r le milie ind striel – Prévu pour le milieu industriel.

– Structure modulaire.

– Nombre d’entrées/sorties adaptable.

• Remplit des fonctions d’automatisation, à programmer

– logique combinatoire – temporisations, comptages

séquencement (machine d’états)

– séquencement (machine d’états) – calcul numérique, régulation

– collection de données pour le contrôle de qualité – surveillance et gestion des erreurs

L’automate programmable industriel

Structure matérielle - la CPU et le bus interne

• Les automates actuels ont une structure modulaire

Permet d’adapter le nombre d’entrées sorties a besoins de – Permet d’adapter le nombre d’entrées sorties aux besoins de

l’application.

• Un automate est généralement constitué

– D’une carte CPU.

– De cartes d’entrées sorties.

– D’un bus interne pour relier la CPU aux cartes d’entrée sortie.

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Structure matérielle – les entrées sorties sur bus parallèle interne

• Sur certains automates programmables

le b s CPU passe directement dans le fond de panier et – le bus CPU passe directement dans le « fond de panier » et

communique avec les cartes d’entrée sortie.

• Les temps de réponse pour lire une entrée ou écrire une sortie sont alors minimaux.

– Quelques centaines de nanosecondes.

– Négligeables.

• Limitations

¹ ² ³ ¹ ² ³

• Limitations

– Ces bus ont des limites en taille.

– Frein à la modularité.

CPU

Carte de sortie 1 Carte de sortie 2 Carte de sortie 3 Carte d’entrées Carte d’entrées Carte d’entrées

L’automate programmable industriel

Structure matérielle – les entrées sorties sur bus série interne

• Certains automates utilisent un bus série interne :

Simplifie la connectique des modules – Simplifie la connectique des modules.

– Permet d’utiliser un bus plus long.

– Offrent donc une plus grande extensibilité.

• Les temps de latence pour lire ou écrire une sortie

– Sont alors nettement plus longs.

– restent acceptables pour de nombreuses applications.

1 2 3 1 2 3 e 4 es 4

CPU

Carte de sortie 1 Carte de sortie 2 Carte de sortie 3 Carte d’entrées Carte d’entrées Carte d’entrées Extension du

bus pour plus d’E/S Câble de

prolongation

Carte de sorti Carte d’entrée

(5)

L’automate programmable industriel

Illustration – Beckhoff CX1000

L’automate programmable industriel

Illustration – Beckhoff CX1000

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Environnement de développement logiciel

1. Développement et compilation

2. Transfert

3. Exécution

L’automate programmable industriel

Principe de fonctionnement cyclique

• Exécution cyclique

Un a tomate programmable e éc te périodiq ement ne o – Un automate programmable exécute périodiquement une ou

plusieurs tâches.

– Pour chaque tâche, on peut définir une périodicité différente.

– Une même tâche peut exécuter plusieurs programmes.

Tâche 1 10 ms

Programme régulation du four

Application automate programmable

Tâche 2 50 ms

Programme éjection des mauvais biscuits

Programme Conditionnement

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Les solutions automatisées

Exemple pratique

Résistance chauffante

Four à pain industriel Système de commande :

Régulation de la température à 300 °C

On/Off

Chauffe

industriel

Capteur de température (thermocouple)

Mesure de température Tension

proportionnelle à la température

Architectures centralisées

Exemple de programme pour automate (exécution cyclique)

PROGRAM MAIN VAR

CapteurTemperature AT %IW40 : INT;

InterrupteurChauffage AT %QX10.0 : BOOL;

Temperature : REAL;

END_VAR VAR CONSTANT

GainCapteurTemperature = 0.1; // Degré par bit END_VAR

(* Gestion de la resistance chauffante *)

Temperature = CapteurTemperature * GainCapteurTemperature;

Temperature CapteurTemperature GainCapteurTemperature;

IF Temperature > 310 THEN

InterrupteurChauffage := FALSE;

ELSIF Temperature < 300 THEN InterrupteurChauffage := TRUE;

END_IF;

END_PROGRAM;

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Comment piloter un processus cyclique

• Exemple de la régulation du four

PROGRAM RegulationFour VAR

CapteurTemperature AT %IW40 : INT;

InterrupteurChauffage AT %QX10.0 : BOOL;

Temperature : REAL;

GainCapteurTemperature = 0.1; // Degré par bit END_VAR

(* Gestion de la resistance chauffante *)

Temperature = CapteurTemperature * GainCapteurTemperature;

IF Temperature > 310 THEN

I t t Ch ff FALSE

InterrupteurChauffage := FALSE;

ELSIF Temperature < 300 THEN InterrupteurChauffage := TRUE;

END_IF;

END_PROGRAM;

• Il exécute rapidement quelques opérations et se termine.

• Il est appelé périodiquement par la tâche 1.

L’automate programmable industriel

Conséquences du fonctionnement cyclique sur les performances

• Gigue

Si Tâche 1 et Tâche 2 sont prêtes sim ltanément – Si Tâche 1 et Tâche 2 sont prêtes simultanément

• Tâche 2 sera exécutée après Tâche 1.

• La cadence d’exécution est respectée.

• L’échéance précise n’est pas respectée.

• Charge CPU

– Si une tâche effectue un traitement plus long que sa période

• 100 % CPU consommée.

Bus de terrain - Performance des systèmes de commande industriels 15

• L’automate ne peut plus respecter la cadence d’exécution.

• En général, il se met dans un état d’erreur et s’arrête.

– Si on diminue la période d’une tâche (on augmente la cadence)

• La charge CPU augmente.

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L’automate programmable industriel

Fonctionnement interne du logiciel de l’automate

• Le logiciel automate tourne dans une boucle infinie.

• Il exécute le pseudo code suivant en permanenceIl exécute le pseudo code suivant en permanence BOUCLE_INFINIE

SI temps écoulé pour Tache1 >= 10 ms ALORS Copier entrées dans variables associées.

Appeler les programmes de Tache1.

Copier variables vers sorties associées.

FIN SI

SI temps écoulé pour Tache2 >= 50 ms ALORS

C i t é d i bl ié

Copier entrées dans variables associées.

Appeler les programmes de Tache2.

Copier variables vers sorties associées.

FIN SI

FIN BOUCLE_INFINIE

L’automate programmable industriel

Avantages

• Les valeurs des variables d’entrée sont figées pendant tout le cycle.

– Effet bénéfique : Elimination des aléas.

Q i il i i l l d M ’é i fi é d

– Que pourrait-il arriver si la valeur de « Mesure » n’était pas figée pendant l’exécution du programme ci-dessous ?

PROGRAM MAIN VAR

Mesure AT %IW2 : INT;

Commande AT %QW5 : INT;

Gain := 12.5;

END_VAR

(* La valeur de la sortie Commande est non signée

( La valeur de la sortie Commande est non signée.

Elle ne doit jamais être affectée d’une valeur négative.

*)

IF Mesure > 0 THEN

Commande := Gain * Mesure;

ELSE

Commande := 0;

END_PROGRAM;

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Avantages

• Simplicité du matériel et du noyau d’exécution

Possibilité de gérer des tâches parallèles – Possibilité de gérer des tâches parallèles.

– Sans système d’exploitation multitâche.

– Réalisable sur des microprocesseurs peu puissants.

• Simplicité de la programmation

– Pour des applications très simples, il existe des langages ne nécessitant quasiment aucune connaissance en programmation

• Exemple : le langage « CONTACT ».

Exemple : le langage CONTACT .

L’automate programmable industriel

Inconvénients

• Modèle de programmation cyclique

Mal adapté a applications séq entielles comple es – Mal adapté aux applications séquentielles complexes.

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L’automate programmable industriel

Comment piloter une séquence : exemple simple – tri de colis par taille

Colis à trier Barrière optique

Vue de dessus Vue de côté

Vérin avec capteurs de fin de course intégrés

Tapis roulant de course intégrés

L’automate programmable industriel

Comment piloter une séquence : l’approche habituelle prise en défaut

PROGRAM TriColis VAR

BarriereOptique AT %IX12.2 : INT;

DetecteurFinMouvement AT %IX12.1 : INT;

CommandeVanne AT %QX10.0 : BOOL;

END_VAR

IF BarriereOptique THEN CommandeVanne := TRUE;

WHILE NOT DetecteurFinMouvement DO END_WHILE

CommandeVanne := FALSE;

END_IF END_PROGRAM;

• Cette approche ne fonctionne pas avec un automate

– Le programme automate boucle pendant toute la durée du mouvement.

– La variable DetecteurFinMouvement est figée.

– Incompatible avec le principe de fonctionnement cyclique.

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Comment piloter une séquence : les machines d’état.

Attente 1 PROGRAM TriColis

Attente VAR

Avancer le vérin BarriereOptique

2

FinMouvement

BarriereOptique AT %IX12.2 : INT;

FinMouvement AT %IX12.1 : INT;

Etat: INT := 1;

END_VAR

IF Etat = 1 THEN

IF BarriereOptique THEN CommandeVanne := TRUE;

Etat := 2;

END_IF

ELSIF Etat = 2 THEN

IF DetecteurFinMouvement THEN

Reculer le vérin 3

NOT BarriereOptique (* attente du départ du colis *)

IF DetecteurFinMouvement THEN CommandeVanne := FALSE;

Etat := 3;

END_IF ELSE

IF NOT BarriereOptique THEN Etat := 1;

END_IF END_IF END_PROGRAM;

• Temporisation des états

Noter simplement à côté d’ n état le temps pendant leq el il doit

L’automate programmable industriel

Gestion du temps dans les machines d’état.

– Noter simplement à côté d’un état le temps pendant lequel il doit être occupé avant de pouvoir être quitté.

Attente

Mettre S1 à 1 E1

5 s

Mettre S1 à 1

Mettre S1 à 0 5 s

5 s

(13)

• Utilisation de temporisateurs

Démarrer n temporisate r à l’entrée d’ n état

L’automate programmable industriel

Gestion du temps dans les machines d’état.

– Démarrer un temporisateur à l’entrée d’un état.

– Tester la fin de la temporisation sur une transition.

Attente

Mettre S1 à 1 E1

Démarrer Timer1(5s)

Mettre S1 à 0

Timer1.Ecoule 5 s

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Présentation de la norme

• IEC

International Electrotechnical Commission – International Electrotechnical Commission – Fondée en 1906, basée à Londres

– Siège déplacé à Genève en 1948 – www.iec.ch

• 1131

– Numéro de la norme

IEC 1131 3 IEC 61131 3 ?

• IEC 1131-3 ou IEC 61131-3 ?

– Pour des questions d’harmonisation de numérotation, IEC-1131 a été renommée IEC-61131 sans aucun autre changement.

– Une norme qui définit 5 langages pour automates programmables.

Programmation IEC1131

Les 5 langages

• IEC 1131 définit les langages suivants :

IL : Instr ction List langage te te de très bas ni ea – IL : Instruction List, langage texte de très bas niveau.

– ST: Structured Text, langage texte évolué.

– LD: Ladder Diagram, schéma de contact.

– FBD: Function Block Diagram, enchaînement graphique de fonctions.

– SFC: Structured Function Chart, encore appelé Grafcet.

Représentation graphique de séquences.

• IEC 1131 supporte les mélanges

– Il est possible de programmer différentes parties d’une application avec chacun de ces langages.

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Programmation IEC1131

Constituants de base d’une application

• POU

– Program Organization Unit – Program Organization Unit.

– 1 POU = 1 module dans un projet IEC 1131.

– 3 types de POU : Fonction, Bloc fonctionnel, Program.

• Fonctions

– Même concept qu’en Ada ou en C.

• Bloc fonctionnel (Function Block)

– Correspond à la création d’un nouveau type.

– On crée autant d’instances que nécessaire.

– Exemple : Timer TON.

• Program

– POU de niveau principal, appelé par une tâche.

Programmation IEC1131

Constituants de base d’une application – structure d’un projet

Application automate

programmable Tâches

PROGRAM

FUNCTION

FUNCTION BLOCK

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Eléments communs – les éléments de base

(* Ceci est un commentaire *) (* Déclaration de variables *) VAR

Nom: TYPE;

END_VAR;

VAR_INPUT (* Paramètres d’entrée d’une fonction *) Nom: TYPE;

END_VAR;

(* On peut utiliser de même :

VAR_OUTPUT : Paramètres de sortie d’une fonction (référence)

VAR_INOUT : Paramètres d’entrée et sortie d’une fonction (référence) VAR_GLOBAL : Variables globales

*)

Programmation IEC1131

Eléments communs – les éléments de base

(* Déclaration de variables persistantes *) VAR RETAIN

Nom: TYPE;

END_VAR;

(* Ces variables conservent leur valeur même si on éteint l’automate.

Utilisation

- Variables d’état.

- Compteurs de production

*)

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Programmation IEC1131

Types de données pour les entiers

Type Description Bits Valeurs

SINT Short Integer 8 -128 à +127

INT Integer 16 -32768 à +32767

DINT Double Integer 32 -2³¹à 2³¹-1

LINT Long Integer 64 -2⁶³à 2⁶³- 1

USINT Unsigned Short Integer 8 0 à 255

UINT Unsigned Integer 16 0 à 65535

UDINT Unsigned Double Integer 32 0 à 2³²– 1 ULINT Unsigned Long Integer 64 0 à 2⁶⁴- 1

Programmation IEC1131

Autres types de données de base

Type Description Valeurs

BOOL Booléen TRUE, FALSE

TIME Durée T#50ms T#2d3h7m4s10ms TIME#50ms

REAL Réel 1.23E4

LREAL Réel étendu 1.23E4

STRING Texte "Erreur"

DATE Date D#2020-12-25 DATE#2020-12-25

TIME_OF_DAY Horaire TOD#10:50:23 TIME_OF_DAY#10:50:23 DATE_AND_TIME Date + Horaire DT#2020-12-25-10:50:23.10

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Créer de nouveaux types

• Les types énumérés - exemple

TYPE TYPE

SIGNAL_FEU:(Rouge, Orange, Vert, OrangeClignotant);

END_TYPE VAR

Feu1, Feu2 : SIGNAL_FEU;

END_VAR

Feu1 := Rouge;

Programmation IEC1131

Accès aux entrées sorties

• Principe

– Les entrées et les sorties sont déclarées et utilisées comme des

Taille (en bits) Entrée Sortie

variables.

– Une syntaxe spéciale permet de préciser leur emplacement physique et la taille mémoire correspondante.

– L’adressage est dépendant du constructeur.

1 %IX0.0 %QX0.0

8 %IB7 %QB4

16 %IW20 %QW12

32 %ID8 %QD16

64 %IL40 %QL32

(19)

Programmation IEC1131

Accès aux entrées sorties

• Syntaxe spéciale

Il est possible de séparer la déclaration des ariables d’entrée – Il est possible de séparer la déclaration des variables d’entrée

sortie et leur adressage.

– Possibilité très intéressante dans le cas des Function Blocks.

• Mise en œuvre

– Déclaration sans adresse dans le programme (ex: Main) CommandeVanne AT %Q* : BOOL;

– Adressage défini dans une section séparée

Adressage défini dans une section séparée VAR_CONFIG

Main.CommandeVanne AT %QX4.0: BOOL;

END_VAR

Programmation IEC1131

Instruction List (IL) - Aperçu

• Langage textuel de très bas niveau.

G d’ bl d l’ t t bl

• Genre d’assembleur de l’automate programmable.

• Approche peu séduisante aujourd’hui.

• Mais encore largement utilisée !

(* Load IN1 into the calculation register *) LD IN1

(* Subtract IN2 from that register, storing the result into that register *)

SUB IN2

(* Perform the Absolute Value function on that register *) ABS

(* Store the value in the register into the variable called Error_Calc *) ST Error_Calc

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Structured Text (ST) - Présentation

• Langage textuel évolué.

Propose les str ct res de contrôle habit elles – Propose les structures de contrôle habituelles.

– Permet ainsi une programmation structurée

• Permet donc une programmation beaucoup plus lisible.

• Utilisé pour

– Ecrire des programmes, fonction, function block.

– Ecrire les actions dans les diagrammes SFC.

Programmation IEC1131

Structured Text (ST) – Résumé des instructions – les opérateurs

( ) Parenthèses Priorité la plus haute

Function(…)( ) Appel de fonctionAppel de fonction

** Elévation à une puissance

- NOT

Opposé Négation logique

* / MOD

Produit Quotient Modulo +

-

Addition Soustraction

<, >, <=, >= Comparaison

=

<>

Egalite Inégalité

AND, & Et logique entre booléens

XOR Ou exclusif logique entre booléens

OR Ou logique entre booléens Priorité la plus basse

(21)

Programmation IEC1131

Structured Text (ST) – Résumé des instructions - Test

• Affectation

Variable := Valeur;

Variable : Valeur;

• Test

D := B * B – 4 * A * C;

IF D < 0.0 THEN NSolution := 0;

ELSIF D = 0.0 THEN NSolution := 1;

X1 := (-B) / (2.0 * A);

ELSE

NSolution := 2;

X1 := (-B + sqrt(D)) / (2.0 * A);

X2 := (-B - sqrt(D)) / (2.0 * A);

END_IF

Programmation IEC1131

Structured Text (ST) – Résumé des instructions - Sélection

• Sélection

CASE Feu1 OF CASE Feu1 OF ROUGE:

QRouge := TRUE; QVert := FALSE; QOrange := FALSE;

ORANGE:

QRouge := FALSE; QVert := FALSE; QOrange := TRUE;

VERT:

QRouge := FALSE; QVert := TRUE; QOrange := FALSE;

ELSE

QRouge := FALSE; QVert := FALSE; QOrange := FALSE;

END_CASE

• Retour de valeur de fonction

RETURN 10; // sort de la fonction

(22)

Structured Text (ST) – Résumé des instructions - Boucles

• For

FOR I := 1 TO 100 DO

(* instructions de la boucle ici *) END_FOR

FOR I := 100 TO 1 BY -2 DO

(* instructions de la boucle ici *) END_FOR

• While

WHILE I <= 100 DO

(* instructions de la boucle ici *) END WHILE

END_WHILE

• Repeat Until

REPEAT

(* instructions de la boucle ici *) UNTIL I > 100

END_REPEAT

Programmation IEC1131

Structured Function Chart (SFC) - Présentation

• Principe

Langage graphiq e po r faciliter la programmation de séq ences – Langage graphique pour faciliter la programmation de séquences.

– Génère automatiquement le code de la machine d’état correspondante.

– Comporte principalement 2 éléments :

• Places ou états

• Transitions.

• Les actions des différents états

– Elles sont écrites en ST ou en IL.

– On peut définir une action d’entrée, d’état, et de sortie.

• Les conditions des transitions

– Elles sont écrites également en ST ou en IL

(23)

Programmation IEC1131

Structured Function Chart (SFC) - Exemple

Init QRouge := TRUE;

QVert := FALSE;

Init

EtatRouge

EtatVert

Q

QOrange := FALSE;

QRouge := FALSE;

QVert := TRUE;

QOrange := FALSE;

TRUE T#20s

T#15s

EtatOrange

QVert := FALSE;

QOrange := TRUE;

TRUE

TRUE T#5s

Programmation IEC1131

Structured Function Chart (SFC) – Résumé des principales formes Init

Etat1

Etat2

Etat4

Alternative

Etat3 Etat5

Séquences parallèles

(24)

Ladder (LD) - Exemple

Programmation IEC1131

Function Block Diagram (FBD) – Exemple

(25)

Programmation IEC1131

Fonction

• Une fonction

Même principe q e dans les langages é ol és C C# Basic – Même principe que dans les langages évolués C++, C#, Basic, …

• Exemples de fonction

– SIN, COS Y := SIN(X);

• Le résultat ne dépend que des paramètres d’entrée.

• Les variables sont locales.

• Représentation graphique

Fonction

Programmation IEC1131

Bloc fonctionnel

• Un bloc fonctionnel est constitué

De ariables – De variables

• d’entrée et de sortie.

• internes.

• Ces variables conservent leur valeur entre 2 appels consécutifs.

– Utilisées comme variable d’état.

– un bloc de code.

• Le résultat ne dépend pas seulement des valeurs d’entrée

– Tient aussi compte des variables d’état internes.

– Les variables de sortie peuvent donc prendre des valeurs différentes pour un même ensemble de valeur appliquées en entrée.

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Bloc fonctionnel - exemple

• Le bloc TON (Timer ON)

TON

IN PT

Q T#100ms ET

IN

FALSE TRUE

Q

ET

PT PT

FALSE TRUE

T#0 PT

Programmation IEC1131

Bloc fonctionnel - Utilisation

• En FBD

Le bloc est simplement posé s r n diagramme – Le bloc est simplement posé sur un diagramme.

– Ses entrées et sorties sont reliées vers d’autres blocs fonctionnels.

• En ST

VAR

Timer1, Timer2: TON;

Input AT %I*: BOOL;

Output1 AT %Q*: BOOL;

p

Output2 AT %Q*: BOOL;

END_VAR

Timer1(PT := T#100ms, IN := Input);

Output1 := Timer1.Q;

(27)

Programmation IEC1131

Quel langage choisir ?

• Premier critère

Le choi est parfois restreint par les langages s pportés par l’o til – Le choix est parfois restreint par les langages supportés par l’outil

de développement.

• Recommandation

– Préférer ST pour toutes les opérations de base – Pour les séquences : SFC

• Attention à la modularité pour les séquences complexes.

• L’édition graphique est parfois fastidieuse.

g p q p

• Un SFC ne s’imprime pas de façon satisfaisante.

– Pour les applications complexes, préférer ST même pour les séquences.

• Impose un travail d’analyse supplémentaire (traduction des machines d’état)