Les systèmes d'automatisation se trouvent au niveau de contrôle de la pyramide de l'automatisation. Ils traitent les signaux provenant des capteurs et pilotent les actionneurs. Ils transmettent des données vers le haut de la pyramide, jusqu'au niveau de gestion.
Les systèmes d'automatisation sont généralement installés dans des armoires de commande et peuvent être montés sur rail DIN. Ils se composent d'une unité centrale (1) qui communique avec les modules d'entrée/sortie (modules E/S) (2 à 8) via le bus système.
L'unité centrale assure les fonctions de commande et de communication de niveau supérieur. Toutes les variables des modules E/S y sont disponibles (telles que les températures relevées par les capteurs sur les entrées analogiques). L'unité centrale intègre généralement un automate programmable (API), permettant par exemple l'exécution de séquences d'étapes.
Les systèmes d'automatisation contrôlent et surveillent des variables de procédé. Pour ce faire, il est nécessaire de mesurer la température, la pression, le débit, l'humidité ainsi que d'autres grandeurs physiques. Les capteurs intègrent souvent une électronique interne et transmettent la valeur mesurée sous forme de signal 4 à 20 mA. Les entrées analogiques d'un système d'automatisation doivent donc, au minimum, être capables de traiter des signaux de courant.
Le module d'E/S (3) représenté dispose de 4 entrées universelles permettant de recevoir des signaux de courant (4 à 20 mA), mais il est également compatible avec des thermomètres à résistance et des thermocouples. Le deuxième module d'entrées analogiques (4) peut prendre en charge 8 thermomètres à résistance.
En règle générale, des signaux binaires — tels que l'état de thermostats, de pressostats ou de détecteurs de proximité — doivent également être raccordés aux systèmes. Le matériel nécessaire à cet effet doit aussi être prévu (6 + 7).
Les systèmes d'automatisation agissent souvent sur les variables de procédé. Il convient de commander des équipements tels que des systèmes de chauffage, des humidificateurs et, par exemple, un variateur de fréquence pour modifier la vitesse d'un moteur. Cette commande s'effectue généralement au moyen d'un signal de courant (4 à 20 mA), ce qui implique que les modules d'interface doivent disposer de sorties analogiques (5).
Les actionneurs sont également pilotés via des sorties binaires, telles que des sorties à relais (8) ou des sorties logiques (6 + 7).
Des variables de procédé doivent être présentes à différents niveaux au sein des étapes du procédé (par ex. 120 °C, 3 bars ou 270 l/h). L'unité centrale doit définir les consignes correspondantes, et les régulateurs doivent assurer la régulation des variables du système en pilotant les éléments chauffants, les compresseurs et les pompes. Dans de nombreux systèmes, les régulateurs sont intégrés à l'automate programmable (API) ; il s'agit alors de régulateurs logiciels. Toutefois, le système présenté ici utilise des régulateurs matériels (2). Cette conception offre deux avantages : les régulateurs maintiennent la dernière consigne même en cas de défaillance de l'automate (fiabilité accrue du procédé) ; les valeurs réelles et les consignes n'ont pas besoin d'être transférées entre l'automate et les régulateurs au rythme du cycle d'échantillonnage (réduction du temps de cycle du bus).
Le système illustré présente une structure centralisée. Tous les câbles des capteurs et actionneurs doivent être acheminés vers l'armoire de commande centrale du système. Toutefois, imaginons un sous-système situé à une cinquantaine de mètres de l'armoire de commande. Dans ce cas de figure, le câblage représente une tâche considérable, surtout si les capteurs et actionneurs communiquent par signaux analogiques. C'est pourquoi, dans de nombreux systèmes d'automatisation, il est possible d'installer certains modules d'E/S dans un coffret de distribution secondaire et de les relier au système principal via le bus système. Cette approche transforme le système d'automatisation centralisé en un système décentralisé et réduit ainsi l'ampleur du câblage.
Une automatisation efficace des processus nécessite une surveillance continue du système, impliquant l'affichage de toutes les variables de processus. Il doit également être possible d'effectuer des modifications via l'interface de visualisation, comme la modification d'une consigne. Dans l'exemple de système, la visualisation est configurée directement sur l'automate (PLC) mis en œuvre. Tous les terminaux connectés au même réseau que l'interface LAN de l'unité centrale peuvent accéder à la visualisation ou au serveur web de l'automate ; ces terminaux peuvent être des applications de navigation ou des terminaux web (web panels).
Il est souvent nécessaire de pouvoir assurer la visualisation ou le pilotage depuis n'importe quel endroit du monde et sur différents types de terminaux. À cette fin, l'accès au système peut être réalisé via une application cloud sur PC ou smartphone.
Un système d'automatisation comprend généralement un automate programmable (API), programmé dans un langage tel que le CFC ou le code ST. Celui-ci assure la liaison avec les signaux des modules d'E/S (qui reçoivent des signaux) et pilote les modules d'E/S (disposant de sorties). C'est ainsi que l'automate gère, par exemple, le contrôle séquentiel.
La mise en œuvre d'une solution d'automatisation complète représente une tâche considérable. Pour simplifier la configuration, un programme dédié est disponible pour le système type ; il permet d'effectuer des réglages de base, tels que l'adaptation des entrées analogiques aux capteurs et la configuration des fonctions des modules de commande. Le projet est ensuite développé au niveau de l'automate, en s'appuyant sur des projets exemples incluant une visualisation. Cette approche réduit considérablement le temps nécessaire à la mise en place du système d'automatisation.
Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de pouvoir suivre l'évolution des variables de procédé telles que la température, la pression, l'humidité, etc., tout au long du processus de production. Par conséquent, toutes les variables pertinentes doivent être enregistrées et traçables, par exemple à l'aide d'un numéro de commande.
Le système pris en exemple transmet les valeurs mesurées enregistrées à un serveur via le réseau. Ce serveur est accessible depuis n'importe quel PC du même réseau via une application de navigation, permettant ainsi l'analyse des données comme illustré dans le graphique ci-dessous.
Par ailleurs, un système d'automatisation doit pouvoir communiquer avec d'autres systèmes via une interface. Le système pris en exemple peut ainsi communiquer par le biais d'une interface LAN (réseau), de PROFINET ou d'interfaces série.