Pourquoi les systèmes d'automatisation sont-ils si répandus ?

Dans presque toutes les installations de génie des procédés, les systèmes électriques et mécaniques sont automatisés. Le pilotage automatique de composants en fonction de la position d'interrupteurs ou après l'écoulement d'une certaine durée en sont des exemples. Si de simples liaisons binaires suffisent parfois, des commandes séquentielles complexes s'avèrent souvent nécessaires. Des automates programmables industriels (API) sont généralement utilisés pour cette automatisation.

Qu'est-ce qu'un automate programmable industriel (API) ?

Un automate programmable industriel (API) peut être considéré comme un petit ordinateur qui génère des sorties en fonction d'entrées et d'opérations. Un API se compose au minimum d'une unité centrale de traitement (CPU) et de modules d'entrées/sorties (modules E/S). Les modules E/S sont généralement reliés à l'unité centrale par un bus système, qui leur fournit également la tension d'alimentation.

Quels types d'automates programmables industriels sont disponibles ?

Les automates programmables industriels (API) sont disponibles en différentes versions, qui se distinguent par leurs fonctionnalités et leurs applications :

Automate compact

Ces contrôleurs sont intégrés dans un boîtier unique. Ils contiennent tous les composants nécessaires, tels que le processeur, les entrées/sorties et les interfaces de communication. Ils sont idéaux pour les applications de petite taille nécessitant un encombrement minimal.

Automate programmable modulaire

Ces systèmes se composent d'une unité centrale (CPU) et de modules d'entrée/sortie distincts, pouvant être ajoutés ou retirés selon les besoins. Ils offrent flexibilité et extensibilité pour des applications plus complexes. Cela inclut également les systèmes d'automatisation de la gamme JUMO variTRON, bien que ceux-ci disposent d'une étendue fonctionnelle bien plus vaste que celle des automates programmables industriels (API) standard.

Automate de sécurité

Ces contrôleurs ont été spécialement développés pour des applications critiques en matière de sécurité et répondent à des normes de sécurité strictes. Ils sont utilisés dans des domaines où la protection des personnes et des installations est une priorité absolue.

Pourquoi un automate programmable industriel (API) dispose-t-il de modules d'entrée et de sortie ?

Les signaux provenant des interrupteurs, capteurs, etc., sont transmis à l'unité centrale via des modules d'entrée afin d'être disponibles dans l'automate programmable (API). Parmi les exemples de signaux issus de l'installation, on peut citer l'état des fins de course, thermostats, contrôleurs de débit et détecteurs de niveau, ainsi que les valeurs mesurées par les capteurs de température, de pression ou d'humidité. L'automate traite ces signaux et génère un résultat qui est transmis aux modules de sortie ; par exemple, des relais sont utilisés pour commander des électrovannes et des moteurs. En somme, la fonctionnalité de l'automate repose sur l'unité centrale, qui agit en quelque sorte comme le centre de commande.

Comment les processus étaient-ils automatisés avant l'introduction des automates programmables industriels ?

Avant l'introduction des automates programmables industriels (API), les systèmes de commande étaient réalisés en interconnectant des relais et des relais temporisés. Ce type de commande nécessitait une quantité importante de matériel, et la fonction ne pouvait être modifiée qu'en changeant le câblage. De plus, ces systèmes étaient sujets aux dysfonctionnements et le dépannage prenait beaucoup de temps. La mission des premiers API était de remplacer ces réseaux de relais.

Qu'est-ce qu'un programme d'automate (PLC) et comment est-il créé ?

Tous les signaux d'entrée sont traités de manière cyclique par un programme d'automate et y sont interconnectés. Des environnements de développement tels que CODESYS sont disponibles pour la programmation des automates ; les programmes sont ainsi développés dans CODESYS puis transférés vers l'automate.

Quels langages de programmation d'automates programmables (API) sont disponibles?

Un automate programmable industriel (API) peut être programmé dans divers langages définis par la norme IEC 61131-3. Le programmeur peut ainsi choisir le langage le mieux adapté aux besoins spécifiques.

Langage à contacts (Ladder)

Le langage à contacts (ou « Ladder »), utilisé depuis les années 1960, convient au remplacement des circuits à relais. C'est le plus ancien langage de programmation connu. Sa représentation graphique s'apparente à celle des schémas électriques.

Imaginons une application très simple dans laquelle un module d'entrée acquiert l'état d'un interrupteur de seuil (détecteur de niveau) situé dans un réservoir ainsi que celui de deux boutons-poussoirs. Ces états sont accessibles dans le programme de l'automate via des variables nommées « LevelBelowTheLimit », « PushbuttonLeft » et « PushbuttonRight ». Une pompe est pilotée par le relais d'un module de sortie ; dans le programme, elle est désignée par le nom « PumpActivated ». La pompe ne doit être activée que si les deux boutons-poussoirs sont actionnés simultanément (par mesure de sécurité) et si le niveau est passé en dessous du seuil défini. Le programme simple correspondant, écrit en langage à contacts, se présente comme suit dans CODESYS :

On y retrouve une structure comparable à celle d'un schéma électrique, composée d'interrupteurs ou de boutons-poussoirs et de relais. Une fois le programme créé, il est transféré vers l'automate programmable (API) et vérifié ; l'environnement de développement CODESYS n'est alors plus nécessaire.

Très tôt, des éléments de temporisation ont été intégrés au langage de programmation à contacts (Ladder) ; ils permettent de différer la mise en marche ou l'arrêt, ou d'activer une sortie pendant une durée déterminée après leur déclenchement. Il existe par exemple un bloc fonctionnel désigné « TON » : celui-ci n'active son signal de sortie que si son entrée est activée pendant une durée minimale. Si l'on souhaite, par exemple, activer la pompe lorsque les boutons-poussoirs sont maintenus enfoncés pendant au moins 5 secondes, le programme doit être modifié comme suit :

Schéma fonctionnel

Un autre langage très similaire est le schéma fonctionnel orienté réseau. Dans ce langage, le petit programme est structuré comme suit :

Diagramme de fonctions continues (CFC)

Le CFC (Continuous Function Chart) est une évolution du schéma fonctionnel (FBD) qui permet un positionnement libre des éléments. Pour le reste, son apparence est très similaire. Il s'agit d'un langage de programmation très répandu. Le programme s'y présente comme suit :

Liste d'instructions

La liste d'instructions (IL) est un langage relativement peu utilisé aujourd'hui, mais très proche du langage d'assemblage (assembleur). Chaque instruction en IL repose essentiellement sur le chargement de valeurs dans un accumulateur, opération effectuée au moyen de l'instruction LD. L'opération correspondante est ensuite exécutée en utilisant la première opérande contenue dans l'accumulateur. Le résultat de cette opération est renvoyé dans l'accumulateur. En liste d'instructions, le programme se présente comme suit :

Texte structuré

Le code ST (texte structuré) est un autre langage de programmation. Il s'agit d'un langage textuel permettant d'exécuter des tâches de commande complexes. Sa syntaxe s'apparente à celle du langage Pascal. Il autorise l'utilisation de variables, de fonctions, de boucles et d'instructions conditionnelles. Le code ST est particulièrement adapté à la programmation de séquences de processus complexes et de calculs mathématiques. Il permet une programmation structurée et claire, facilitant ainsi la maintenance et l'évolution des programmes de commande. Le programme d'exemple en code ST ne nécessite que deux lignes :

Comment mettre en œuvre un contrôle séquentiel à l'aide d'un automate programmable (API) ?

Le langage GRAFCET (ou diagramme fonctionnel séquentiel) est idéal pour la mise en œuvre de contrôles séquentiels. Prenons l'exemple d'une installation de traitement thermique où le matériau à traiter est acheminé dans l'installation par un convoyeur à bande. Les trois premières étapes se déroulent comme suit :

1. L'actionnement d'un bouton-poussoir de démarrage active un dispositif de chauffage. Une fois la température cible atteinte, l'étape suivante commence.
2. La porte de la chambre de traitement s'ouvre et un convoyeur à bande démarre pour introduire les produits dans la chambre. Une fois le chargement du matériau terminé (détecté par un capteur de proximité), l'étape suivante commence.
3. La porte se ferme et la température de la chambre est régulée à une valeur spécifique. Lorsqu'une certaine température est atteinte au cœur du produit, le système de régulation s'arrête et la porte s'ouvre. L'étape suivante commence.
4. …

Dans les programmes écrits en GRAFCET, certaines étapes (par exemple, le chauffage et le chargement) sont reliées entre elles par des conditions de commutation ou des transitions. Les trois premières étapes (ainsi que la position initiale) du programme requis pour cet exemple d'application se présentent comme suit en langage GRAFCET :

Des programmes peuvent être définis pour chaque étape, mais ils ne sont exécutés que lorsque l'étape correspondante est active. Le traitement débute par l'étape « BasicPosition ». Aucun programme n'étant mémorisé pour cette étape, aucune action n'a lieu.

Des programmes distincts (par exemple en schéma à contacts) sont définis pour toutes les étapes suivantes. Si l'on appuie sur le bouton-poussoir de démarrage alors que l'on se trouve à l'étape « BasicPosition », l'étape « Heater » est activée, ce qui permet au générateur de chaleur d'être mis en service par le programme mémorisé. Cette étape reste active jusqu'à ce que la température de l'élément chauffant atteigne 200 °C et que l'étape « Retract » devienne active. Le programme associé à l'étape « Retract » active les commandes correspondantes pour la porte et le moteur de la bande transporteuse.

D'autres étapes sont ajoutées de la même manière, avec leurs transitions respectives. La dernière transition réactive l'étape « BasicPosition ».

Quelles sont les autres caractéristiques typiques des automates programmables industriels (API) ?

L'une des fonctions fondamentales d'un API est l'automatisation de processus, ce qui nécessite une programmation dans l'un des langages mentionnés précédemment. Toutefois, les API actuels sont des outils polyvalents en matière d'automatisation et offrent bien plus encore :

• Mise à disposition de diverses interfaces pour la communication avec des systèmes de niveau supérieur
• Mise à disposition de variables dans le cloud, permettant d'accéder à l'installation depuis n'importe quel endroit via différents terminaux
• Éditeurs permettant de concevoir des écrans de visualisation personnalisés selon les besoins du client
• Intégration d'un serveur web accessible via un navigateur ou un terminal web pour visualiser l'installation