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R é p u b l i q u e A l g é r i e n n e D é m o c r a t i q u e e t P o p u l a i r e
Minis t ère d e l'E ns eig nem ent Su p éri eur et d e la Rech erc he Sc ient if ique
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l ec t r o t ec h ni qu eMémoire de Fin d’Etudes
En vue de l’obtention du diplôme de
Master (LMD)
Spécialité : AUTOMATISME ET CONTROLE DES SYSTEMES INDUSTRIELS Filière : GENIE ELECTRIQUE
Intitulé :
Régulation de débit d’un doseur par régulateur PID : simulation sur API S7/300
Présenté par : - ABDELLI Mohamed
- MADI Rafiq Devant le jury :
Pr. MILOUDI Abdallah Président Mr. LABANE Chrif Examinateur Pr. MILOUD Yahia Encadreur Mr. SAYAH Abdelkader Co-encadreur
Promotion 2016-2017
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RemercIEments
Nous remercions dieu de nous avoir permis d’atteindre ce stade et d’avoir réussi nos études.
Nos remerciements et nos gratitudes vont tout d’abord à notre encadreur Pr MILOUD, et Mr SAYAH, Abdelkader, magister d’automatique, chef de département CMR de la cimenterie de SAIDA qui nous a bien accueilli dans ce service, en nous permettant de réaliser ce projet et d’appliquer nos connaissances théoriques sur terrain.
Nous tenons à exprimer nos vifs et sincères remerciements à nos chers enseignants du département électrotechnique.
Enfin, nous tenons à remercier sincèrement toutes les personnes ayant contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail.
ABDELLI Mohamed et MADDI Rafiq
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Dédicaces
Nous dédions ce travail à :
Nous chers parents qui nous ont beaucoup aide et qui se sont sacrifiés pour nous et qui nous ont encouragé et soutenu le long de notre vie et durant notre cursus.
A nos frères, nos sœurs, A toute nos familles.
A tous nos amis sans exception : Atout la communauté universitaire.
Tous ceux ont contribué de prés ou de loin à la réalisation de ce modeste travail.
ABDELLI Mohamed et MADDI Rafiq
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Sommaire
Introduction générale ……….
Chapitre I : les systèmes automatisés
I.1. Généralités sur la régulation ………
I.1.1. Définition………..
I.2.Introduction(SA) ………...
I.2.1.Définition(SA)………..
I.3. Description d’un système automatisé……….
I.3.1. Description ………..
I.3.1.1. La Partie Commande : PC………
I.3.1.2. L’interface ………..
I.3.1.3. La Partie Opérative : PO………
I.3.1.4. La partie pupitre ………...
I.3.2 Schéma d'organisation d’un système automatisé ………
I.4. Fonctionnalité de la PC………
I.4.1. Réalisation matérielle de la PC………
I.4.2. Les différents types de commande ………
I.4.3. Organisation de la PC……….
I.5. Structure de la Partie Opérative (PO)……….
I.5.1. Représentation fonctionnelle……….
I.5.2. Les actionneurs………
I.5.2.1. Le type d’énergie……….
I.5.2.2. La manière de mise en œuvre………..
I.5. 3. Tableau de classification des actionneurs courants………
I.6. Dialogue PC-PO……….
I.6.1. Les pré actionneurs………..
I.6.2. Les capteurs………
I.7. Le but de l automatisme……….
Chapitre II : les automates programmables industrielles
II.1. Définition ……….
II.2. Historique………..
II.3. Présentation ………..
II.4. Rôle d’un automate dans un SAP (Système Automatisé de production) ………
II.5. Structure générale des API………
II.6. Structure interne d'un automate programmable industriel (API) ……….
II.6.1. Le processeur……….
II.6.2 La mémoire ………..
II.6.3. Les interfaces et les cartes d’Entrées / Sorties………..
II.6.3.1 Cartes d’entrées………..
II.6.3.2. Cartes de sorties………
II.7. Fonctionnement………..
II.8. L'alimentation électrique ………
II.9. Jeu d'instructions ………
II.10. Sécurité………..
II.11. Réseaux d'automates……….
II.11.1. Principe………
II.12. Bus de terrain ………...
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SOMMAIRE II.13. Différents types de réseaux d'automates………...
II.13.1. Réseau en étoile ………...
II.13.2. Réseau en anneau ………...
II.13.3. Réseau hiérarchisé………..
II.14. Critères de choix d'un automate ……….
II.15. Mise en œuvre et diagnostic d’un API ………...
II.15.1. Vérification du fonctionnement ……….
II.16. Recherche des dysfonctionnements ………
II.17. Les avantages et les inconvénients du l’automate programmable industriel ………..
II.17.1. Les avantage ………...
II.17.2. Les inconvénients ………...
II.18. Le régulateur PID ………...
II.18.1. Définition ………...
II.18.2. Principe générale ………...
II.18.2.1. Proportionnelle ………...
II.18.2.2. Intégrale ……….
II.18.2.3. Dérivé ………
II.19. Réalisation ……….
Conclusion………....
Chapitre III : Etude des systèmes pesage et doseur à bande
III.1. Définition………..
III.2. Description………
III.3. Principe de fonctionnement ……….
III.3.1. Partie mécanique ………...
III. 3.2. Partie électrique ………
III. 3.3. Partie électronique………
III.4. Fonction de régulation du doseur à bande………..
III.5. La régulation du débit………..
III.6.. Signal poids ………
III.7. Principe de calcul du poids ………..
III.8. Déférent de type de capteur ………
III. 8.1. Définition d’un capteur ………
III. 8.2. Classification ………
III. 8.2.1. Capteur passif ………
III. 8.2.2. Capteur actif………
III. 8.3. Type de sortie ………...
III. 8.3.1. Capteurs analogiques ……….
III. 8.3.2. Capteur numérique ……….
III. 8.3.3. Capteurs logiques ………..
III. 8.4. Type de détection ……….
III.9. Capteur de pois (jauge de contrainte)………...
III.9.1. Généralités ……….
III.9.2. Jauges de contrainte ………...
III.10. Signal vitesse………..
III.11. Principe de calcul de la vitesse ……….
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SOMMAIRE Chapitre IV : logiciel step7 et simulation
IV.1. Introduction ………
IV.2. Créer son projet ………..
IV.3. Le matériel ………..
IV.4. Le programme ……….
IV.5. les langages ……….
IV.5.1. Langage de programmation CONT (schéma à contacts)……….
IV.5.2. Langage de programmation LOG (logigramme) ………
IV.5.3. Langage de programmation LIST (liste d'instructions) ……….
IV.5.4. Langage de programmation Graph S7 (commande séquentielle) ………..
IV.6. Test d'un programme utilisateur ……….
IV.7. Tester un programme utilisateur……….
IV.8. Insérer et éditer une table des variables………..
IV.9. Type de variable dans un automate ………
IV.10. Le bloc FC1 : (réseau 1,2, 3, 4,5) ………
IV.10.1. Les réseaux 4 et 5 ………
IV.11. Les réseaux 6 et 7………...
IV.12. Le réseau 8 ………
a)Paramètre d’entrée ………
B) Paramètres de sortie ………
Conclusion ………
Conclusion général………
Bibliographié Annexe
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Liste de figure
Figure1: Doseur à bande………...
Figure2 : automate programmable………
Figure I.1 : Système automatique……….
Figure II.1 : Automate dans une armoire électrique……….
Figure II.2 : Aspect extérieur d'un automate S7-200 CPU222……….
Figure II.3 : Automate Modulaire……….
Figure II.4 : Structure interne d'un automate programmable industriel (API)……….
Figure II.5 : Exemple d'une architecture réelle d'un API S7-300 (marque de Siemens AG) ………….
Figure II.6: La mémoire Deux familles de mémoires sont utilisées dans les automates programmables
Figure II.7: Les interfaces d'entrées/sorties………..
Figure II.8: Exemple d’une carte d’entrées typique d’un API………
Figure II.9: Exemple d’une carte de sortie typique d’un API……….
Figure II.10 : Fonctionnement cyclique d'un API………
Figure II.11 : Temps de scrutation vs Temps de réponse………. ………….
Figure II.12 : Symboles usuels en langages LD……… ………….
Figure II.13: Exemple d'une structure de contrôle et gestion de production………
Figure II.14: Interconnexion simple (Entrées/Sorties) entre deux automates (API)………. …………..
Figure II.15: Interconnexion par entrées/sorties déportées………...
Figure II.16: Interconnexion par entrées/sorties déportées……….
Figure II.17: Topologie Anneau………..
Figure II.18: Réseau hiérarchisé………..
Figure II.19: Méthode de recherche de pannes et Diagnostic d'un API ………. …………..
Figure II.20: architecture d’un PID en parallèle………..
Figure III.1 : Eléments principales de la chaine de régulation du doseur à bande……….. ………
Figure III.2 : Principe de fonctionnement ………..
Figure III.3 : Station de pesage ………..
Figure III.4 : Station de pesage réelle du doseur à bande……… ………….
Figure III.5: Montage permettant la transmission du signal poids……….
Figure III.6: capteur de poids (Peson analogique)………..
Figure III.7 : Codeur incrémental du doseur à bande ………
Figure IV. 1: Création de programme ………. …………..
Figure IV. 2 : Création de bloc OB1………. …………..
Figure IV. 3 : Matériel utilisé dans la simulation……….
Figure IV.4 : tableau de mnémoniques……….
Figure IV.5 : bloc d’organisation ………
Figure IV.6 : schéma de contacts……….
Figure IV.7 : schéma de logigramme ………..
Figure IV.8 : schéma de graph. 7 ……….
Figure IV.9 : langage CONT ………...
Figure IV. 10 : Réseau 1 ………..
Figure IV.11 : Réseau 2………...
Figure IV.12 : Réseau 3………
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Liste de figure
Figure IV.12 : Réseau 4 et 5 ………... ……….
Figure IV .13 : Réseau 6 ………. ………
Figure IV . 14: Réseau 7 ………. ………
Figure IV.15 : Schéma fonctionnel du régulateur FB41 ……….
Figure IV.16 : Paramètre de régulation PID ………
Figure IV. 17 : réseau 8 partie 1………..
Figure IV. 18 : réseau 8 partie 2………..
Figure IV.19 : Programme au repos………
Figure IV.20 : Régulation en cas de consigne > mesure ………
Figure IV.21 : Consigne = mesure ……….
Figure IV. 22 : Consigne < mesure ……… ………..
Figure IV. 23 : la sortie ‘vitesse’ (consigne > mesure) ………..
Figure IV. 24 : la sortie ‘vitesse’ (consigne < mesure) ………..
Figure IV. 25 : la sortie ‘vitesse’ (consigne = mesure)………
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INTRODUCTION GENERALE
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Introduction générale :
La régulation en boucle fermée est un domaine très évolutif vu la demande de production qualitative et quantitative, en respectant les processus de fabrications pour avoir un produit fini qui répond aux normes de fabrications internationalles.
Ce traité se focalise sur la régulation de débit d’un doseur pour une matière première afin de répondre aux consignes demandées et stabilise l’écoulement de la matière avec une précision. Cette régulation est assurée par un régulateur PID intégré comme bloc programmé dans le logiciel Step7 de siemens. Par simulation sur PLCSIM (CPU virtuelle) et programmation dans un API S7/300, a la visualisation est assurée sur le logiciel winCC .
Le traitement en boucle fermée avec l’introduction des API assure la rapidité et la précision du système proposé et corrige les perturbations influant sur le système de dosage.
Dosage et pesage :
Définition: Un doseur à bande est un appareil qui à partir d’une première consigne, va réguler la quantité de matière qui circule dans le sas alvéolaire et va réguler la quantité de matière qui circule dans la bande doseuse à partir d’une deuxième consigne
Figure1: Doseur à bande
Définition : Un automate programmable est un appareil dédié au contrôle des processus industriels par une logique programmée, afin d’accroitre la production et éviter les taches répétitives avec la sécurité des biens en assurant la continuité de fonctionnement et la rapidité.
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Figure2 : automate programmable
Ce travail est organisé en quatre chapitres :
Chapitre I : les systèmes automatisés.
Chapitre II : les automates programmables industriels.
Chapitre III : Etude du système de pesage et doseur a bande.
Chapitre IV : logiciel STEP7 et simulation.
Conclusion générale.
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CHPITRE I : LES SYSTEMES
AUTOMATISES
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES I.1 Généralités sur la régulation :
I.1.1. Définition :
La régulation des procédés industriels regroupe l'ensemble des moyens matériels et techniques mises en œuvre pour maintenir une grandeur physique à régler, égale à une valeur désirée, appelée consigne. Son but est d'étudier et de concevoir des systèmes présentant de bonnes
Caractéristiques de stabilité. Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique de l'automatique.
La régulation (ou asservissement) consiste à agir de façon à ce que une mesure soit égale à une consigne. Si l’on cherche à atteindre une consigne (de position ou de température), on parlera de poursuite ou asservissement ; si l’on cherche à éliminer des perturbations pour qu’une valeur reste constante (ex : garder la température intérieure de la voiture constante quelle que soit la température extérieure), on parlera alors de régulation.
L’industrie utilise à foison des systèmes d’asservissement ou de régulation : que ce soit pour gérer le débit d’un fluide dans une conduite, la température d’un produit, la hauteur d’un niveau de cuve…
I.2. Introduction(SA) :
Un système automatisé comprend une partie opérative (PO) et une partie commande (PC) qui dialoguent ensemble.
La PO regroupe l’ensemble des opérateurs techniques qui assurent et contrôlent la production des effets utiles pour lesquels le système automatisé a été conçu. C’est la PO qui agit directement sur la matière d’oeuvre pour lui apporter sa valeur ajoutée. La PC est l’ensemble des moyens de traitement de
l’information qui assure la commande et la coordination des taches (de la succession des actions de la PO, à la place de l’opérateur et à partir de programmes préétablis.
Les échanges d’information entre la PC et la PO sont de deux types :
émission des ordres aux signaux de commande vers le pré actionneurs de la PO.
réception des comptes rendus de la PC par l’intermédiaire d’organes de saisie d’information (capteurs)
Figure I.1 : Echanges d’information entre PC et PO I.2.1. Définition(SA) :
Un système est dit automatisé lorsqu’il exécute le même cycle de travail.
I.3. Description d’un système automatisé : I.3.1. Description :
On peut distinguer trois parties dans un système automatisé.
La Partie Commande. P.C.
L interface.
14
CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES
La Partie Opérative. P.O.
La partie pupitre. P.P.
I.3.1.1. La Partie Commande : PC
Elle permet à l’opérateur d’établir le programme qui commande l’automate. La partie Commande reçoit les consignes d’un opérateur. Elle adresse des ordres à la partie opérative. Inversement la PC reçoit des comptes rendus de la partie opérative et envoie des signaux à l’opérateur.
I.3.1.2. L’interface :
Elle relie la PO et la PC. C’est un système de traduction d’informations entre la Partie Commande PC et la Partie Opérative PO.
I.3.1.3. La Partie Opérative : PO
Il s’agit de la partie qui effectue le travail. C’est elle qui reçoit les ordres de la Partie Commande (P.C.).
Dans la PO c’est les actionneurs (des vérins ou des moteurs) qui exécutent les ordres reçus.
I.3.1.4. La partie pupitre :
Le pupitre permet à l’opérateur de dialoguer et de commander la partie opérative. Il Comporte :
Des capteurs de commande (marche, arrêt, arrêt d’urgence…).
Des voyants de signalisation (mise sous tension, fonctionnement anormal, buzzer…).
Des appareils de mesure de pression (manomètre), de tension (voltmètre), d’intensité (Ampèremètre).
I.3.2 Schéma d'organisation d’un système automatisé :
Un système automatisé peut, pour faciliter l’analyse, se représenter sous la forme d’un schéma identifiant trois parties (P.O ; P.C ; P.P) du système et exprimant leurs interrelations (Informations, Ordres, Comptes- rendus, Consignes).
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES
Figure I.2 : Schéma d’organisation d’un système automatisé
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES I.4. Fonctionnalité de la PC:
La PC d'un système automatisé est destiné à traiter les informations afin d'assurer les fonctionnalités suivantes:
I.4.1. Réalisation matérielle de la PC:
en logique câblée (séquenceurs)
technologie électronique
technologie électrique
technologie pneumatique
inconvénients: structure figée
en logique programmée
avantages: structure flexible (ou souple)
Automates Programmables Industriels (API)
µ-ordinateurs industriels
cartes électroniques à µp où à µ-contrôleurs I.4.2. Les différents types de commande :
Commande séquentielle: variables booléennes
Commande continue: asservissement et régulation de processus continu I.4.3. Organisation de la PC:
Commande centralisée: Elle gère seule la totalité du SA à partir d’un unique système de traitement.
Commande répartie: association de commandes autonomes.
I.5. Structure de la Partie Opérative (PO):
La PO est l’ensemble des moyens techniques qui effectuent directement le processus de traitement de la matière
D’œuvre, à partir des ordres fournis par la PC.
Pour fonctionner, la PO nécessite un apport d’énergie. Celle-ci est, d’une part, répartie et transformée par des actionneurs, et d’autre part, utilisée pour effectuer directement l’opération par des effecteurs
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES I.5.1. Représentation fonctionnelle:
Exemple: contrôle du flux d'un liquide par une électrovanne.
Figure I.3 : Contrôle du flux d’un liquide par une électrovanne
D’après cet exemple, on remarque que:
la première boite sert de convertisseur d’énergie. Elle est appelée actionneur.
la seconde boite est adaptée à une action précise. C’est l’effecteur.
I.5.2. Les actionneurs:
Les actionneurs de la PO ont pour but de convertir une énergie d’entrée sous une certaine forme en une énergie sous une forme différente adaptée à l’opération à effectuer.
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES
Figure I.4 : Actionneur Les actionneurs peuvent être classés selon:
I.5.2.1. Le type d’énergie:
Les actionneurs électriques (énergie: électrique)
Les actionneurs pneumatiques (énergie: air comprimé)
Les actionneurs hydrauliques (énergie: huile sous pression)
Les actionneurs mécaniques (énergie: mécanique)
Dans la majorité des cas, ces actionneurs modifient la nature de l’énergie reçue en énergie mécanique.
I.5.2.2. La manière de mise en œuvre:
Les actionneurs de type Tout ou Rien (TOR): ils n’ont que deux états possibles (repos ou action).
Exemple: vérin pneumatique.
Les actionneurs proportionnels: ils restituent énergie de sortie de façon modulée, proportionnellement au signal de commande reçu..
Exemple: moteur électrique à courant continu: restitue une énergie mécanique de rotation selon la tension appliquée et le courant qui le traverse.
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES I.5. 3. Tableau de classification des actionneurs courants:
I.6. Dialogue PC-PO:
La structure d'un SAP fait apparaître des éléments de liaisons informationnelles entre la PC et la PO.
Figure I.5 : Dialogue PC-PO
I.6.1. Les pré actionneurs:
Ils reçoivent des signaux de faible énergie adressés par la PC et les transforment en grandeurs physiques capables d’obtenir l’effet désiré des actionneurs situés sur la PO.
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES
I.6.2. Les capteurs:
Ils sont des outils qui transforment une grandeur physique (force, vitesse, position pression, débit, intensité, etc...) en un signal logique ou analogique porteur d’une information exploitable par la PC.
Le rôle des capteurs consiste donc à saisir une information d’état de la PO (ou de la m.oe.) et la transformer en un signal transportable (flux énergie) et compréhensible par la PC [1].
La structure d’un capteur peut être représentée par le schéma suivant:
Figure I.6 : Capteur
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES Un capteur est généralement composé de deux parties:
1. Corps d’épreuve: soumis à la grandeur à mesurer et qui la transforme en une autre grandeur intermédiaire sensible par le détecteur.
Exemple: la pression, forces, couples sont généralement appliquées à un corps élastique telque membrane, soufflet, ...qu’ils déforment.
2. Elément sensible: convertit la grandeur physique intermédiaire en une grandeur mesurable (signal électrique).
Les capteurs peuvent être classés en trois catégories:
1. Capteurs Tout ou Rien (logique): Ils ont deux état o ou 1 (vraie ou faux).
Exemple:
Capteurs de présence par contact direct (Elec, Méc ou PN): capteurs de position, butée de fin de course, capteurs de fuite.
Sans contact direct (détecteurs de proximité): capacitifs, inductifs, photo-électroniques, infrarouge,...
2. Capteurs analogiques: Ils fournissent un signal proportionnel à la grandeur physique.
Exemple: capteurs de position angulaire.
3. Capteurs numériques: appelés codeurs ou compteurs.
Exemple: codeurs de déplacement à impulsions incrémentaux: ils produisent une série d’impulsions dont le nombre est proportionnel à la position et leur fréquence est proportionnelle à la vitesse.
Figure I.7 : Système automatique
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CHPITRE I : LES SYSTEMES AUTOMATISES C’est un système en boucle fermée où la contre-réaction corrige la commande opérateur du procédé.
Ce procédé en boucle fermée permet :
de réguler c’est-à-dire minimiser l’influence des perturbations sur la mesure (en régulation, la référence est généralement fixe). Par exemple, réguler la vitesse de rotation d’un moteur (la maintenir constante) quelle que soit la charge (couple résistant) appliquée sur l’axe du moteur
d’asservir c’est-à-dire faire varier la sortie du procédé par action sur l’entrée de référence (on parle aussi du mode de "poursuite"). Par exemple, suivre un certain profil de température pendant la cuisson d’une pâte.
Pour résumer, le travail de l’automaticien est :
de trouver un modèle représentatif du comportement du procédé
d'ajuster le contrôleur pour atteindre les objectifs de performance en régulation et en asservissement.
Même dans les cas où ce travail n’est pas réalisable, en tout ou partie, l’utilisation de la structure de contre- réaction et d’un contrôleur PID permet, grâce à sa simplicité, de faire fonctionner la boucle fermée
I.7. Le but de l automatisme :
Eliminer les taches répétitives.
Simplifier le travail de l'humain.
Augmenter la sécurité (responsabilité)
Accroître la productivité.
C'est également :
Economiser les matières premières et l'énergie
S’adapter a des contextes particuliers : flexibilité
Améliorer la qualité.
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES
PROGRAMMABL INDUSTRIELS
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.1. Définition :
Un automate programmable est un appareil dédié au contrôle d’une machine ou d’un processus industriel, constitué de composants électroniques, comportant une mémoire programmable par un utilisateur non informaticien, à l’aide d’un langage adapté. En d’autres termes, un automate programmable est un calculateur logique, ou ordinateur, au jeu d’instructions volontairement réduit, destiné à la conduite et la surveillance en temps réel de processus industriels.
Trois caractérises fondamentales distinguent totalement l’Automate Programmable Industriel (API) des outils informatiquesTels que les ordinateurs (PC industriel ou autres):
Il peut être directement connecté aux capteurs et pré-actionneurs grâce à ses entrées/sorties industrielles, il est conçu pour fonctionner dans des ambiances industrielles sévères (température, vibrations, micro- coupures de la tension d’alimentation, parasites, etc.), et enfin, sa programmation à partir de langages spécialement développés pour le traitement de
fonctions d’automatisme faiten sorte que sa mise en œuvre et son exploitation ne nécessitent aucune connaissance en informatique.
II.2. Historique :
On sait maintenant que la deuxième partie du XXe siècle a passée à l’histoire comme étant l’ère de l’automatique.
Dans le sillon de l’automatique apparurent plusieurs autres « tiques » et entre autres, l’informatique et la robotique. Et c’est à travers l’automatique, d’abord en 1968-69 aux Etats Unis, que les premiers automates industriels ou « contrôleurs Programmables » firent leur apparition.
Leurs premières applications furent d’abord le remplacement des horloges de contrôle du temps des
employées ; par la suite, leurs multiples utilisations industrielles, en particulier sur les lignes de production des usines, deviennent indispensables non seulement au point de vue contrôle, mais aussi du côté
économique pour l’espace et l’entretien. C’est alors que de nombreux systèmes à relais durent céder leur place.
Les premiers automates programmables n’effectuaient que la commutation ON/OFF (et vice-versa) avec la possibilité de temporisation, comme les relais. Leurs applications étaient limitées seulement aux procédés répétitifs ainsi qu’à certaines machines. Par contre, leurs avantages consistaient dans une installation plus facile, la visualisation des étapes; ils possédaient des indicateurs diagnostiques permettant la localisation des pannes. C’était déjà mieux que les relais, en plus de pouvoir être reprogrammé advenant un changement de fonction ou de procédé.
De 1970 à 1974, la technologie des microprocesseurs (du moins les premiers) ajoutèrent une plus grande flexibilité et une « intelligence » à l’automate programmable. Les capacités d’interface avec l’utilisateur s’améliorent. L’automate programmable peut maintenant exécuter les opérations arithmétiques en plus des opérations logiques; il manipule les données et les adresses ; effectue la communication avec d’autres automates ou Ordinateurs, donnant ainsi une nouvelle dimension aux applications de l’automate
programmable. La console de programmation s’allie avec un moniteur permettant la programmation avec des symboles familiers de relais ce qui facilite beaucoup la compréhension et le dépannage car la
logique peut être vue dans la même forme que les dessins à relais.
Les automates programmables utilisent une mémoire non-volatile (RAM+Pile, EEPROM ou EAPROM par exemple) pour emmagasiner les instructions. Ces derniers accompliront des fonctions logiques,
arithmétiques, de temporisation, de comptage et de manipulation des données. En plus, les fonctions de contrôle PID et d’autres fonctions complexes comme le contrôle numérique de processus sont présentes.
Puisque les automates programmables ont été conçus pour accomplir des opérations semblables à celles des
25
relais, la programmation est basée généralement sur la nomenclature des diagrammes en échelle (ou schéma à relais).
CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS Des langages de haut niveau ont été aussi implantés sur certains automates afin de produire une plus grande flexibilité de programmation [2].
II.3. Présentation :
Figure II.1 : Automate dans une armoire électrique
On nomme Automate Programmable Industriel, API (en anglais Programmable Logic Controller, PLC).
un type particulier d'ordinateur, robuste et réactif, ayant des entrées et des sorties physiques, utilisé pour automatiser des processus comme la commande des machines sur une ligne de montage dans une usine, ou le pilotage de systèmes de manutention automatique. Là où les systèmes automatisés plus anciens employaient des centaines ou des milliers de relais et de cames, un simple automate suffit. On nomme automaticiens les programmeurs de ces Automates Programmables Industriels.
II.4. Rôle d’un automate dans un SAP (Système Automatisé de production) :
Cet ensemble électronique gère et assure la commande d’un système automatisé. Il se composée plusieurs parties et notamment d’une mémoire programmable dans laquelle l’opérateur écrit, dans un langage d’application propre à l’automate, des directives concernant le déroulement du processus à automatiser.
Son rôle consiste donc à fournir des ordres à la partie opérative en vue d'exécuter un travail précis comme par exemple la sortie ou la rentrée d'une tige de vérin. Celle-ci, en retour, lui donnera des informations relatives à l'exécution dudit travail.
II.5. Structure générale des API :
Les caractéristiques principales d’un automate programmable industriel (API) sont : coffret, rack, baie ou cartes
Compact ou modulaire
Tension d’alimentation
Taille mémoire
Sauvegarde (EPROM, EEPROM, pile, …)
Nombre d’entrées / sorties
Modules complémentaires (analogique, communication,..)
Langage de programmation
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.2 : Aspect extérieur d'un automate S7-200 CPU222
Des API en boîtier étanche sont utilisées pour les ambiances difficiles (température, poussière, risque de projection ...) supportant ainsi une large gamme de température, humidité ... L’environnement industriel se présentent sous trois formes :
environnement physique et mécanique (poussières, température, humidité, vibrations)
pollution chimique
perturbation électrique. (parasites électromagnétiques)
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Figure II.3 : Automate Modulaire
CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.6. Structure interne d'un automate programmable industriel (API) :
Les API comportent quatre principales parties (Figure II.4) :
Une unité de traitement (un processeur CPU).
Une mémoire.
Des modules d’entrées-sorties.
Des interfaces d’entrées-sorties.
Une alimentation 230 V, 50/60 Hz (AC) - 24 V (DC).
La structure interne d’un automate programmable industriel (API) est assez voisine de celle d’un système informatique simple, L'unité centrale est le regroupement du processeur et de la mémoire centrale. Elle commande l'interprétation et l'exécution des instructions programme. Les instructions sont effectuées les unes après les autres, séquencées par une horloge [3].
Deux types de mémoire cohabitent :
La mémoire Programme où est stocké le langage de programmation. Elle est en général figée, c'est à dire en lecture seulement. (ROM : mémoire morte)
La mémoire de données utilisable en lecture-écriture pendant le fonctionnement c’est la RAM
(mémoire vive). Elle fait partie du système entrées-sorties. Elle fige les valeurs (0 ou 1) présentes sur les lignes d’entrées, à chaque prise en compte cyclique de celle-ci, elle mémorise les valeurs
calculées à placer sur les sorties.
Figure II.4 : Structure interne d'un automate programmable industriel (API)
L’automate programmable reçoit les informations relatives à l’état du système puis commande les Pré actionneurs suivant :
Le programme inscrit dans sa mémoire.
Un API se compose donc de trois grandes parties :
Le processeur
La mémoire
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Les interfaces Entrées/sorties
CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.5 : Exemple d'une architecture réelle d'un API S7-300 (marque de Siemens AG).
II.6.1. Le processeur :
Le processeur, ou unité centrale (UC), a pour rôle principal le traitement des instructions qui constituent le programme de fonctionnement de l’application (les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de
temporisation, de comptage, de calcul PID, etc..). Mais en dehors de cette tâche de base, il réalise également d’autres fonctions :
Gestion des entrées/sorties
Surveillance et diagnostic de l’automate par une série de tests lancés à la mise sous tension ou cycliquement en cours
Dialogue avec le terminal de programmation, aussi bien pour l’écriture et la mise au point du programme qu’en cours d’exploitation pour des réglages ou des vérifications des données.
Un ou plusieurs processeurs exécutent ces fonctions grâce à un micro logiciel préprogrammé dans une mémoire de commande, ou mémoire système. Cette mémoire morte définit les fonctionnalités de l’automate. Elle n’est pas accessible à l’utilisateur.
II.6.2. La mémoire :
Elle est destinée au stockage des instructions qui constituent le programme de fonctionnement de l’automatisme, ainsi que des données qui peuvent être :
Des informations susceptibles d’évoluer en cours de fonctionnement de l’application. C’est le cas par exemple de résultats de traitements effectués par le processeur et rangés dans l’attente d’une
utilisation ultérieure. Ces données sont appelées variables internes ou mots internes.
Des informations qui n’évoluent pas au cours de fonctionnement, mais qui peuvent en cas de besoin être modifiées par l’utilisateur : textes à afficher, valeurs de présélection, etc... Ce sont des mots constants.
Les mémoires d’état des entrées/sorties, mises à jour par le processeur à chaque tour de scrutation du programme.
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.6: La mémoire Deux familles de mémoires sont utilisées dans les automates programmables Les mémoires vives, ou mémoires à accès aléatoire « Random Access Memory (RAM) ». Le contenu de ces mémoires peut être lu et modifié à volonté, mais il est perdu en cas de manque de tension (mémoire
volatiles). Elles nécessitent par conséquent une sauvegarde par batterie. Les mémoires vives sont utilisées pour l’écriture et la mise au point du programme, et pour le stockage des données.
Elles sont à lecture seule, les informations ne sont pas perdues lors de la coupure de l’alimentation des circuits. On peut citer les types suivants :
ROM « Read Only Memory » : Elle est programmée par le constructeur et son programme ne peut être modifié
PROM « Programmable ROM » : Elle est livrée non enregistrée par le fabricant. Lorsque celle-ci est programmée, on ne peut pas l’effacer
EPROM « Erasable PROM » : C’est une mémoire PROM effaçable par un rayonnement ultraviolet intense.
EEPROM « Electrically EPROM » : C’est une mémoire PROM programmable plusieurs fois et effaçable électriquement
Mémoire Flash : C’est une mémoire EEPROM rapide en programmation. L’utilisateur peut effacer un bloc de cases ou toute la mémoire.
La mémoire morte est destinée à la mémorisation du programme après la phase de mise au point. La mémoire programme est contenue dans une ou plusieurs cartouches qui viennent s’insérer sur le module processeur ou sur un module d’extension mémoire.
II.6.3. Les interfaces et les cartes d’Entrées / Sorties:
L’interface d’entrée comporte des adresses d’entrée. Chaque capteur est relié à une de ces adresses.
L’interface de sortie comporte de la même façon des adresses de sortie. Chaque pré actionneur est relié à une de ces adresses. Le nombre de ces entrées est sorties varie suivant le type d’automate. Les cartes d’E/S ont une modularité de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...) [4].
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.7: Les interfaces d'entrées/sorties
II.6.3.1 Cartes d’entrées :
Elles sont destinées à recevoir l’information en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l’unité de commande de la partie opérative.
Figure II.8: Exemple d’une carte d’entrées typique d’un API II.6.3.2. Cartes de sorties:
Elles sont destinées à commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système et adapter les niveaux de tensions de l’unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières.
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.9: Exemple d’une carte de sortie typique d’un API Exemple de cartes:
Cartes de comptage rapide : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. (signal issu d'un codeur de position)
Cartes de commande d'axe : Elles permettent d'assurer le positionnement avec précision d'élément mécanique selon un ou plusieurs axes. La carte permet par exemple
De piloter un servomoteur et de recevoir les informations de positionnement par un codeur. L'asservissement de position pouvant être réalisé en boucle fermée.
Cartes d'entrées / sorties analogiques : Elles permettent de réaliser l'acquisition d'un signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est également réalisée. Les grandeurs analogiques sont normalisées : 0-10V ou 4-20mA.
Cartes de régulation PID.
Cartes de pesage.
Cartes de communication (RS485, Ethernet ...).
Cartes d'entrées / sorties déportées.
II.7. Fonctionnement :
L'automate programmable reçoit les informations relatives à l'état du système et puis commande les pré- actionneurs suivant le programme inscrit dans sa mémoire.
Généralement les automates programmables industriels ont un fonctionnement cyclique (Figure 10).
Le microprocesseur réalise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de temporisation, de comptage, de calcul... Il est connecté aux autres éléments (mémoire et interface E/S) par des
liaisons parallèles appelées ' BUS ' qui véhiculent les informations sous forme binaire. Lorsque le
fonctionnement est dit synchrone par rapport aux entrées et aux sorties, le cycle de traitement commence par la prise en compte des entrées qui sont figées en mémoire pour tout le cycle [5].
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.10 : Fonctionnement cyclique d'un API
Le processeur exécute alors le programme instruction par instruction en rangeant à chaque fois les résultats en mémoire. En fin de cycle les sorties sont affectées d’un état binaire, par mise en communication avec les mémoires correspondantes. Dans ce cas, le temps de réponse à une variation d’état d’une entrée peut être compris entre un ou deux temps de cycle (durée moyenne d’un temps de cycle est de 5 à 15 ms Figure 11).
Figure II.11 : Temps de scrutation vs Temps de réponse Il existe d’autres modes de fonctionnement, moins courants :
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synchrone par rapport aux entrées seulement
asynchrone
CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.8. L'alimentation électrique :
Tous les automates actuels sont équipés d'une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entrées sont en 24 V DC et une mise à la terre doit également être prévue.
II.9. Jeu d'instructions :
Le processeur peut exécuter un certain nombre d’opérations logiques; l’ensemble des instructions
booléennes des instructions complémentaires de gestion de programme (saut, mémorisation, adressage ...) constitue un jeu d’instructions.
Chaque automate possède son propre jeux d’instructions. Mais par contre, les constructeurs proposent tous une interface logicielle de programmation répondant à la norme CEI1131-3. Cette norme définit cinq langages de programmation utilisables, qui sont :
Les langages graphiques :
LD : Ladder Diagramme (Diagrammes échelle)
FBD : Function Block Diagram (Logigrammes)
SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet)
Les langages textuels :
IL : Instruction List (Liste d’instructions).
ST: Structured Text (Texte structuré).
Le langage à relais (Ladder Diagram) est basé sur un symbolisme très proche de celui utilisé pour les schémas de câblage classiques. Les symboles les plus utilisés sont donnés au tableau suivant :
Figure II.12 : Symboles usuels en langages LD II.10. Sécurité :
Les systèmes automatisés sont, par nature, source de nombreux dangers (tensions utilisées, déplacements mécaniques, jets de matière sous pression ...).
Placé au coeur du système automatisé, l'automate se doit d'être un élément fiable car un dysfonctionnement de celui-ci pourrait avoir de graves répercussions sur la sécurité des personnes, de plus les coûts de
réparation et un arrêt de la production peuvent avoir de lourdes conséquences sur le plan financier.
Aussi, l'automate fait l'objet de nombreuses dispositions pour assurer la sécurité :
Contraintes extérieures : l'automate est conçu pour supporter les différentes contraintes du monde industriel et à fait l'objet de nombreux tests normalisés.
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Coupures d'alimentation : l'automate est conçu pour supporter les coupures d'alimentation et permet, par programme, d'assurer un fonctionnement correct lors de la réalimentation (reprises à froid ou à chaud)
CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Mode RUN/STOP : Seul un technicien peut mettre en marche ou arrêter un automate et la remise en marche se fait par une procédure d'initialisation (programmée)
Contrôles cycliques :
Procédures d'autocontrôle des mémoires, de l'horloges, de la batterie, de la tensions d'alimentation et des entrées / sorties
Vérification du temps de scrutation à chaque cycle appelée Watchdog (chien de garde), et
enclenchement d'une procédure d'alarme en cas de dépassement de celui-ci (réglé par l'utilisateur)
Visualisation : Les automates offrent un écran de visualisation où l'on peut voir l'évolution des entrées / sorties
Les normes interdisent la gestion des arrêts d'urgence par l'automate ; celle-ci doit être réalisée en technologie câblée.
II.11. Réseaux d'automates : II.11. 1. Principe :
Avec le développement des systèmes automatisés et de l'électronique, la recherche de la baisse des coûts et la nécessité actuelle de pouvoir gérer au mieux la production et a partir du moment où tous les équipements sont de type informatique, il devient intéressant de les interconnecter à un mini-ordinateur ou à un automate de supervision (Figure 13)
Figure II.13: Exemple d'une structure de contrôle et gestion de production
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS L'interconnexion entre deux automates peut être réalisée très simplement en reliant une ou plusieurs sorties d'un automate à des entrées de l'autre et vice-versa (Figure 14).
Figure II.14: Interconnexion simple (Entrées/Sorties) entre deux automates (API)
Cette méthode ne permet pas de transférer directement des variables internes d'un automate sur l'autre, de sorte que celles-ci doivent être converties par programme en variables de sortie avant leur transfert. Elle devient coûteuse en nombre d’entrées/sorties mobilisé pour cet usage et lourde du point de vue du câblage, lorsque le nombre de variables qui doivent être échangées devient important.
II.12. Bus de terrain :
Pour diminuer les coûts de câblage des entrées / sorties des automates, sont apparus les bus de terrains.
L'utilisation de blocs d'entrées / sorties déportés à permis tout d'abord de répondre à cette exigence. Les interfaces d'entrées/sorties sont déportées au plus près des capteurs. Avec le développement technologique, les capteurs, détecteurs ... sont devenus intelligents" et ont permis de se connecter directement à un bus.
Figure II.15: Interconnexion par entrées/sorties déportées
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS Plusieurs protocoles de communication et des standards sont apparus pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs / pré actionneurs apr exemple le bus ASi (Actuators Sensors interface) est un bus de capteurs/actionneurs de type Maître / Esclave qui permet de raccorder 31 esclaves (capteurs ou pré actionneurs) sur un câble spécifique (deux fils) transportant les données et la puissance.
Ce bus est totalement standardisé et permet d'utiliser des technologies de plusieurs constructeurs
Avantages des bus de terrain :
Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant
Réduction des coûts de maintenance
Inconvénients des bus de terrain :
Taille du réseau limitée
Latence dans les applications à temps critique
Coût global
II.13. Différents types de réseaux d'automates : II.13.1. Réseau en étoile :
Un centre de traitement commun échange avec chacune des autres stations. Deux stations ne peuvent pas échanger directement entre elles (Figure 4.15). Exemple le réseau de terrain BITBUS de la société INTEL
Avantage :
Grande vitesse d'échange.
Différent types de supports de transmission.
Pas de gestion d'accès au support.
Inconvénients :
Coût global élevé.
Evolutions limitées.
Toute repose sur la station centrale.
Figure II.16: Interconnexion par entrées/sorties déportées
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.13.2. Réseau en anneau :
Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution est intéressante lorsqu'une station doit recevoir des informations de la station précédente ou en transmettre vers la suivante (Figure 17).
Figure II.17: Topologie Anneau
Avantage :
Signal régénéré donc fiable.
Contrôle facile des échanges (le message revient à l'émetteur).
Inconvénients :
Chaque station est bloquante.
Une extension interrompe momentanément le réseau.
II.13.3. Réseau hiérarchisé :
C'est la forme de réseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d'utilisation, les informations pouvant circuler entre-stations d'un même niveau ou circuler de la station la plus évoluée (en général un calculateur) vers la plus simple, et réciproquement (Figure 18).
Figure II.18: Réseau hiérarchisé
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.14. Critères de choix d'un automate :
Le choix d'un automate programmable est généralement basé sur :
- Nombre d'entrées / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks dès que le nombre d'entrées / sorties nécessaires devient élevé.
- Type de processeur : la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur permettront le choix dans la gamme souvent très étendue.
- Fonctions ou modules spéciaux : certaines cartes (commande d'axe, pesage ...) permettront de "soulager" le processeur et devront offrir les caractéristiques souhaitées (résolution, ...).
- Fonctions de communication : l'automate doit pouvoir communiquer avec les autres systèmes de
commande (API, supervision ...) et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (Profibus ...) [6].
II.15. Mise en œuvre et diagnostic d’un API : II.15.1. Vérification du fonctionnement :
Lors de sa première mise en œuvre il faut réaliser la mise au point du système.
Prendre connaissance du système (dossier technique, des GRAFCETS et du GEMMA, affectation des entrées / sorties, Les schémas de commande et de puissance des entrées et des sorties).
Lancer l'exécution du programme (RUN ou MARCHE)
Visualiser l'état des GRAFCET, des variables...
Il existe deux façons de vérifier le fonctionnement :
En simulation (sans Partie Opérative).
En condition réelle (avec Partie Opérative).
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Tableau II.1 : tableau de vérifier le fonctionnement
II.16. Recherche des dysfonctionnements : Un dysfonctionnement peut avoir pour origine :
Un composant mécanique défaillant (pré actionneur, actionneur, détecteur,...).
Un câblage incorrect ou défaillant (entrées, sorties).
Un composant électrique ou électronique défectueux (interface d'entrée ou de sortie).
Une erreur de programmation (affectation d'entrées-sorties, ou d'écriture).
Un système non initialisé (étape, conditions initiales...) Méthode de recherche de pannes:
Simulation sans Partie opérative Simulation avec Partie opérative (Conditions réelles)
Le fonctionnement sera vérifié en simulant le comportement de la Partie Opérative, c’est à dire l’état des capteurs, en validant uniquement des entrées.
- Valider les entrées correspondant à l’état initial (position) de la Partie Opérative.
- Valider les entrées correspondant aux conditions demarche du cycle.
- Vérifier l’évolution des grafcets (étapes actives).
- Vérifier les ordres émis (Leds de sorties).
- Modifier l’état des entrées en fonction des ordres émis (état transitoire de la P.O.).
- Modifier l’état des entrées en fonction des ordres émis (état final de la P.O.).
Toutes les évolutions du GEMMA et des grafcets doivent être vérifiées.
Le fonctionnement sera vérifié en suivant le comportement de la P.O.
- Positionner la P.O. dans sa position initiale.
- Valider les conditions de marche du cycle.
- Vérifier l’évolution des grafcets et le comportement de la P.O.
Toutes les évolutions du GEMMA et des grafcets doivent être vérifiées.
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.19: Méthode de recherche de pannes et Diagnostic d'un API
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS Méthode de vérification du câblage d'une entrée à masse commune :
Cette vérification se réalise à l'aide d'un voltmètre-
ohmètre et d'un shunt (morceau de fil électrique).
- Vérifier l’alimentation des entrées à l’aide d’un voltmètre.
- Pour vérifier le capteur et son câblage, tester aux différents points indiquées, contact du capteur ouvert, contact du capteur fermé.
- Pour vérifier l'interface d'entrée court- circuiter le capteur par un shunt, le voyant d'entrée doit s'allumer.
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.17. Les avantages et les inconvénients du l’automate programmable industriel :
II.17.1. Les avantages :
Simplification du câblage
Modifications du programme faciles à effectuer par rapport a une logique câblée
Enormes possibilités d’exploitation
Fiabilité professionnelle II.17.2. Les inconvénients :
en cas de "plantage "(très rare heureusement), c’ est une belle pargaille…
son prix qui comme nous l’avons vu plus haut ne le met pas à la portée de toutes .Mais ces équipements évoluant rapidement fait que l’on peut en récupérer quelquefois pour pas trop cher.
II.18. Le régulateur PID : II.18.1. Définition :
Le régulateur PID, appelé aussi correcteur PID (proportionnel, intégrateur, dérivateur ou proportionnel, intégral, dérivée) est un système de contrôle, permettant d’effectuer un asservissement en boucle fermée d’un système industriel ou « procédé ». C’est le régulateur le plus utilisé dans l’industrie, et il permet de régler un grand nombre de grandeurs physiques [7] [8].
II.18.2. Principe générale :
Un correcteur numérique est un algorithme de calcul qui délivre un signal de commande à partir de la différence entre la consigne et la Mesure [9] [10].
Le correcteur PID agit de trois manières
action proportionnelle : l'erreur est multipliée par un gain.
action intégrale : l'erreur est intégrée et divisée par un gain Ti.
action dérivée : l'erreur est dérivée et multipliée par un gain Td.
Il existe plusieurs architectures possibles pour combiner les trois effets (série, parallèle ou mixte), on présente ici une architecture parallèle :
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS
Figure II.20: architecture d’un PID en parallèle II.18.2.1. Proportionnelle :
L'erreur est multipliée par une constante Kp
U(t) = Kp x E(t) (II.1)
U(p) = Kp x E(p) (II.2) Plus Kp est grand, plus la réponse est rapide Erreur statique
II.18.2.2. Intégrale :
L'erreur est intégrée sur un intervalle de temps, puis multipliée par une constante Ki
U(t) = Ki x E(t)0t d(t) (II.3)
U(p) = Ki x E(p)/p (II.4)
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS Corrige l'erreur statique plus Ki est élevé, plus l'erreur statique est corrigée
II.18.2.3. Dérivé :
L'erreur est dérivée par rapport au temps, puis multipliée par une constante Kd U(t) = Kd * dE (t)dt (II.5)
U(p) = Kd * E(p) * p (II.6)
Réduit le dépassement et le temps de stabilisation sensible au bruit
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CHAPITRE II : LES AUTOMATES PROGRAMMABL INDUSTRIELS II.19. Réalisation :
En pratique on peut utiliser deux types de contrôleurs PID :
Contrôleur PID numérique (échantillonnage)
Contrôleur PID analogique (mais de plus en plus souvent remplacés par des numériques) Avantage d’un Contrôleur PID :
Simple
Efficace dans la plupart des cas
Le plus utilisé dans l'industrie Conclusion :
L'A.P.I. est un équipement spécialement conçu pour l'industrie et destiné à piloter des chaînes de montages, productions, manutentions, robots industriels, machines outils…
Au point de vue modélisme ferroviaire c'est un appareil parfait pour qui veut automatiser même partiellement un réseau.
Par contre il ne faut pas oublier qu'à l'instar d'un réseau réel, un grand nombre d'entrées/sorties seront nécessaires. La petite démonstration ci-dessus ne demande pas moins de 4 entrées et 5 sorties.
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CHAPITRE III : ETUDE DU SYSTEME DE
PESAGE ET DOSEUR A BANDE
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CHAPITRE III : ETUDE DU SYSTEME DE PESAGE ET DOSEUR A BANDE
III.1. Définition :
Un doseur à bande est un appareil qui à partir d’une première consigne, va réguler la quantité de matière qui circule dans le sas alvéolaire, et va réguler la quantité de matière qui circule dans la bande doseuse à partir d’une deuxième consigne
Figure III.1 : Eléments principales de la chaine de régulation du doseur à bande III.2. Description :
Sous la trémie de stockage, un système d’extraction alimente le doseur à bande. Il est composé d’un alimentateur constituant le fond de la trémie de stockage. Celui-ci alimente un sas alvéolaire qui remplit la chambre d’extraction (calmage) du doseur placée sur la bande unique de celui-ci.
Ce système d’extraction est destiné à stabiliser le produit, à régulariser l’alimentation du doseur et à l’amener sur ce dernier sans pression afin d’éviter tout phénomène de colmatage et avoir une stabilité du débit désiré.
Le sas alvéolaire, alimenté en produit, est entraîné à vitesse variable. Il remplit en régulation la chambre d’extraction du doseur par l’intermédiaire de la boucle contenant une sonde de niveau, régulateur et variateur de vitesse.
Le niveau du produit dans la chambre d’extraction est déterminé pour que le volume du produit avant l’extraction soit au minimum et sans risque de manque dans l’alimentation de la bande doseuse [11].
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CHAPITRE III : ETUDE DU SYSTEME DE PESAGE ET DOSEUR A BANDE III.3. Principe de fonctionnement :
Figure III.2 : Principe de fonctionnement
Le doseur à bande extrait à section constante le produit d'une réserve (chambre de calmage) et, à partir d'une consigne de débit fixée, corrige par variation de la vitesse de bande, le volume de produit extrait de manière à maintenir constant le débit pondéral. Le poids du produit sur une longueur de bande «zone de pesage» est détecté par un « capteur de poids » à jauge de contrainte.
La vitesse de la bande est mesurée par un codeur incrémental « capteur de vitesse » et réglée par un groupe motoréducteur à vitesse variable. Le niveau du produit dans la chambre de calmage est maintenu constant par la régulation du débit de l'organe d'alimentation qui peut être un sas alvéolaire, une vanne à casque ou une vis.
Le doseur à bande peut également être utilisé comme peseur en continu pour mesurer un flux de produit et totaliser le poids passé ou comme doseur de présélection de charges [12].
Le doseur consiste à partir de trios partie : III.3.1. Partie mécanique :
La partie mécanique du doseur SAUTELMA est constituée de :
Chambre de calmage.
Bande de transport.
Station de pesage.
Tambour d’entrée et sortie.
Le phosphate extrait est transporté vers la chambre de calmage, celle-ci sert à stabiliser le produit, à régulariser l’alimentation de la bande doseuse.
On obtient à la sortie de la chambre un gâteau à section constante, le gâteau est ensuite transporté vers le pont de pesage pour être peser, Le gâteau pesé est ensuite acheminé par la bande transporteuse vers la cuve d’attaque.
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CHAPITRE III : ETUDE DU SYSTEME DE PESAGE ET DOSEUR A BANDE III.3.2. Partie électrique :
La partie électrique du doseur est constituée de :
Moteur pour entrainement de la bande.
Un variateur de vitesse à fréquence.
Un ensemble de commande et protection des organes de puissance.
La bande transporteuse est entraînée par un moteur asynchrone, appelé moteur pour BANDE, commandé aussi par un variateur de fréquence télémécanique. Sa fonction principale est d’assurer la conversion courant fréquence, le variateur reçoit en entrée un courant continue (4 - 20mA) comme signal de régulation vitesse moteur bande, et fournit en sortie un signal alternatif à fréquence variable.
Chaque période de ce signal est inversement proportionnelle à la vitesse du moteur. La fréquence du signal varie proportionnellement à la vitesse.
III.3.3. Partie électronique :
La partie électronique du doseur est constituée de :
Calculateurs Electroniques (API).
Unité de traitement numérique.
Afficheurs électroniques.
Le doseur est pilotée par un Automate programmable industriel qui assure le pesage et la régulation, qui reçoit la consigne, élabore les algorithmes de calcul et effectue la régulation du débit demandé. Il gère également les différents défauts de fonctionnement et assure l’affichage [13].
III.4. Fonction de régulation du doseur à bande :
C’est une opération primordiale pour contribuer à un bon fonctionnement du doseur. Il peut travailler indépendamment ou de façon intégrée dans l’ensemble hiérarchiquement structuré.
L’unité de traitement numérique est chargée de traiter les signaux provenant des capteurs (poids &
vitesse), et élaborer des signaux débits correspondant qui seront ensuite régulé par le calculateur.
Les afficheurs permettent de visualiser à chaque fois les paramètres des différents grandeurs établies par l’opérateur (Consigne Débit) ou générés par le doseur (Débit réel/Niveau réel) et de faire le suivie des signaux de régulation aux entrées sorties de chaque bloc (Signal poids / Signal vitesse) [14].
III.5. La régulation du débit :
La régulation du débit consiste à contrôler en permanence, les paramètres intervenant dans l’obtention du débit, à savoir le poids et la vitesse.
Nota : le débit : Q est donné par la formule :
Q= Charge * Vitesse (Kg/m * m/s)
Le signal poids est immobilisé par une trappe sous forme de gâteau, capté par un peson tandis que le signal vitesse est obtenu par un tachymètre.
III.6. Signal poids :
Le signal poids est obtenu par l’intermédiaire d’un capteur à jauge relié à une station de pesage. Cette station comprend trois rouleaux :
Deux rouleaux adjacents un d’entrée et l’autre pour la sortie, limitant la station de pesage.
Un rouleau peseur qui permet de transmettre le poids de la station vers les jauges. Ce rouleau doit être aligné avec les rouleaux d’entrée et de sortie.
50
CHAPITRE III : ETUDE DU SYSTEME DE PESAGE ET DOSEUR A BANDE La tolérance de l’alignement doit être inférieure à 1 mm.
Figure III.3 : Station de pesage
III.7. Principe de calcul du poids :
Figure III.4 : Station de pesage réelle du doseur à bande
1 : rouleau peseur
2 : rouleau d’entrée
3 : rouleau de sortie
4 : capteur de poids
5 : lames de suspension
L : longueur de pesage
