automatismes sequentielle

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Automne 2002 Cours de commande séquentielle (ELE4202 et ELE3204)

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Chapitre IIAutomatisme séquentiel

• Introduction• API (structure, modules E/S, utilisation)• Fonctions de base, blocs fonctionnels• Méthode de conception directe• Normes de conception (GRAFCET, GEMMA)• Implantation / sécurité• Laboratoire no 1 : utilisation d’un API


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Introduction

• Plusieurs tâches peuvent être automatisées à partir de signaux d’entrée / sortie de type tout-ou-rien (booléen)

• Positionnement d’objets contre des butées• Remplissage de contenants à certains niveaux• Coordination de plusieurs robots• Logique de protection pour équipements électroniques

• Traditionnellement, des relais et des portes logiques ont été utilisés pour câbler ces automatismes

• Câblage complexe et difficilement modifiable.

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Introduction (suite)• Les automates programmables industriels

(API) sont spécialement conçus pour la programmation de ces tâches dites séquentielles

• Incluent la logique combinatoire et séquentielle• Comportent des modules d’entrée / sortie (E/S)

standardisés et programmables par l’usager• Plus faciles à adapter aux séquences de

tâches variables.• L’entretien de ces systèmes est faciliter par

les standards de fabrication des modules qui le constituent.

• Possibilité de communiquer avec d’autres unités


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Automates programmables industrielsStructure

• Définition: Un automate programmable industriel (API) est une unité de contrôle dédiée (ordinateur et interface entrée / sortie) construite pour réaliser des stratégies de contrôle de type séquentiel, telles que celles réalisées par des relais électro-mécaniques et / ou des circuit logiques temporisés.

• Terminologie• PC - Programmable Controller (Royaume-Uni)• PLC - Programmable Logic Controller (États-Unis)• PBS - Programmable Binary System (Suède)• API - Automate Programmable Industriel (France)

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Automates programmables industrielsStructure (suite)

• Structure interne:• Unité de contrôle (CPU)• Mémoire (zone programme, zone données)• Circuits d’interface (entrées / sorties)• Unité de programmation (implantation externe de la

stratégie de commande)


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Automates programmables industrielsÉvolution

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Automates programmables industrielsClassement simplifié

• Une bonne manière simple de classer les automates est de considérer leur nombre d’entrées / sorties.

Micro moins de 32 E/SPetit jusqu’à 128 E/S

« Moyen » jusqu’à 1024 E/S« Gros » jusqu’à 4096 E/S« Très gros » jusqu’à 8192 E/S


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Automates programmables industrielsInterface entrées / sorties

• Caractéristique importante des API:• L’interface E/S se présente comme des modules

standards directement utilisables pour relier les capteurs (entrées) et actionneurs (sorties) au contrôleur

• La circuiterie logique de contrôle est toujours séparée de la circuiterie dite de puissance présente dans le procédé.

•(Scan figure 6-8 page 7 chapitre II)

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Automates programmables industrielsModules d’entrées binaires

• Type le plus courant d’entrée pour un capteur et ayant la valeur tout-ou-rien (0 ou 1)

Entité matérielle InterfaceSélecteur 24 V AC/DCBouton poussoir 48 V AC/DCCellule photosensible 120 V AC/DCInterrupteur limite 230 V AC/DCFusible Niveau TTLInterrupteur de proximité « Non-Voltage »Interrupteur de niveau Entrée isoléeContact de démarrage de moteur 5-50 V DCRelais


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Automates programmables industrielsModules de sorties binaires

• Type le plus courant de sortie pour un actionneur et ayant la valeur tout-ou-rien (0 ou 1)

Entité matérielle InterfaceAlarme 12-48 V ACRelais e contrôle 120 V ACVentilateur 230 V ACLumière 12-48 V DCSirène 120 V DCValve 230 V DCDémarreur Relais de contactSolénoïde Sortie isolée

5-50 V DCNiveau TTL

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Automates programmables industrielsSpécifications des modules E/S

• Électriques• Spécification de tension entrante• Spécification de courant entrant• Tension de basculement entrante (input threshold voltage)

• Délai d’entrée• Spécification de tension sortante• Spécification de courant sortant• Spécification de puissance de sortie• Besoins en courant• Besoin maximal en courant (surge current)• Courant de fuite à l’état inactif ( off )• Délai sortie vers état actif ( on )


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Automates programmables industrielsSpécifications des modules E/S (suite)

• Électriques (suite)• Délai sortie vers état inactif (off)• Isolation électrique (entre la logique et la puissance)• Intervalles de sortie tension / courant• Intervalles d’entrée tension / courant• Résolution numérique (convertisseurs A/N et N/A)• Spécification du fusible de sortie

• Mécaniques• Bornes par modules (habituellement 1,2,4,8,16,32 ou 64)

• Dimensions et nombre de fils par borne (ex.: 2*#14 AWG)

• Environnementales• Spécification de température ambiante• Spécification d’humidité

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Automates programmables industrielsUtilisation

• Programmation• Choix de langage fixé selon l’automate choisi

– Liste d’instructions (IL)– Texte structuré (ST)– Diagramme à relais (LD) (aussi appelé Ladder ou schéma à échelle)

– Diagramme à bloc fonctionnel (FBD)– Graphe fonctionnel séquentiel (Grafcet)


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Automates programmables industrielsUtilisation

• Exécution des programmes• Mise à jour continue des E/S• Mise à jour en masse des E/S

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Automates programmables industrielsFonctions de base (en LD)

• Éléments constitutifs des diagrammes à relais

Contacts (entrées)(physiques ou logiques)

Bobines (sorties)(physiques ou logiques)


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Automates programmables industrielsFonctions de base (suite)

• Interprétation:• Balayage du haut vers le bas• Sorties mises à jours à la fin du balayage en fonction

des états des entrées au début de ce balayage

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• Ces éléments peuvent servir à programmer des comportements plus ou moins complexes suivant la logique des diagrammes à relais

Marche-Arrêt avec deux entrées


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Automaintien avec deux entrées(comme Marche-Arrêt)

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Allumage va-et-vient(OU exclusif)X1 X2 Y10 0 00 1 11 0 11 1 0


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Génération d’un créneau

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Marche-Arrêt avec une entrée (plus complexe… l’ordre des lignes et du balayage est important)t=0, X1,Y1,Y2,Y3=0t=1, X1=1 => Y2,Y3 =1t=2, aucun changementt=3, X1=0 => Y3=0t=4, aucun changementt=5, X1=1, Y3=0 Y2=1 => Y1=1t=5+, deuxième ligne du LD => Y2=0t=6, Y2=0 => Y1=0t=7, X1=0 => Y3=0t=8, attente de X1=1


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Oscillateur unitaire(aucune entrée)

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Front montant(créneau unitaire sur pression)

(plus complexe… l’ordre des lignes et du balayage est important)t=0, X1,Y1,Y2,Y3=0t=1, X1,Y1,Y2,Y3=0t=2, X1=1 => Y1,Y2 =1t=3, Y2=1 => Y1=0t=4, aucun changementt=5, aucun changementt=6, X1=0 => Y2=0t=7, attente de X1=1t=8, attente de X1=1


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Front descendant(créneau unitaire sur relâche)

(plus complexe… l’ordre des lignes et du balayage est important)t=0, X1,Y1,Y2,Y3=0t=1, X1,Y1,Y2,Y3=0t=2, X1=1 => Y2 =1t=3, aucun changementt=4, aucun changementt=5, aucun changementt=6, X1=0, Y2=1 => Y1=1t=6+, X1=0 => Y2=0t=7, X1=0,Y2=0 => Y1=0t=8, attente de X1=1

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Front montant / descendant(créneau unitaire sur pression / relâche)

(plus complexe… l’ordre des lignes et du balayage est important)t=0, X1,Y1,Y2,Y3=0t=1, X1=1 => Y2=1t=2, Y2=1 => Y1=0t=3, aucun changementt=4, aucun changementt=5, aucun changementt=6, X1=0, Y2=1 => Y1=1t=6+, X1=0 => Y2=0t=7, X1=0,Y2=0 => Y1=0t=8, attente de X1=1


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Relais intermédiaire

Dans la plupart des cas, il y a une limite du nombre de lignes contenues dans un seul diagramme à relais.

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Automates programmables industrielsBlocs fonctionnels

Temporisateur

Délai avant une action, ou action durant un délai.

Q = compte terminé/Q = compte en coursE = armement (retour à la valeur initiale)C=contrôle (compte si =1; arrête si =0)

*Les deux entrées doivent être à 1 pour que cet élément fonctionne et compte le délai demandé...

Le délai demandé correspond à la zone grisée sous Y2.


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Automates programmables industrielsBlocs fonctionnels (suite)

Circuit oscillant

Pour fixer la durée à « on » et la durée à « off » d’une sortie cyclique.

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Compteur

Compte le nombre d ’impulsions arrivant sur l’entrée X tant que l’entrée R est à 1. La sortie Q prend la valeur 1 si N courant est égal au N voulu; prend la valeur 0 si non.

D’autres entrées / sorties peuvent se trouver sur ce bloc selon le programme utilisé.


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Monostable

Crée une impulsion de durée programmable sur la sortie du bloc.

Ce bloc peut aussi être configuré pour que l’impulsion soit redéclenchable (sur un front montant de l’entrée) en cours de route ou non.

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Programmateur cyclique(Drum register)Fonctionne comme un programmateur à cames. Sorties fonction de l’état actuel et des informations en mémoire.

Le fonctionnement de cet élément est difficilement représentable en termes de graphiques temporels… Le meilleur moyen de se familiariser avec lui est de tempter de l’utiliser au laboratoire.


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Relais maîtreLe numéro sous l’identificateur indique combien de lignes du diagramme sont sous l’effet du relais maître. Les conditions d’activation de ce relais s’ajoutent à celles des relais qui sont sous son influence.

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Fonction sautLe numéro sous l’identificateur indique combien de lignes du diagramme sont sautées lorsque la condition de validation est vraie.


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Manipulation de donnéesLe langage inclut plusieurs blocs fonctionnels pour manipuler les données afin de produire certaines actions.

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Automates programmables industrielsConclusions sur les diagrammes à relais

•Seul, le langage LD arrive difficilement à gérer une séquence complexe d’événements comme pourrait le faire un langage comme le C avec ses boucles conditionnelles.

•Ce langage est meilleur pour la description de conditions logiques et d’actions. Une alternative est préférable pour le traitement de séquences d’action.

•Introduction du Grafcet (GRAphe FonCtionnel Étape Transition) afin de gérer ce genre de processus.


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Automates programmables industrielsLogique séquentielle (Grafcet)

•Ensemble d’étapes, de transitions et de liaisons orientées qui fixent l’état actuel et à venir d’un automatisme.

•La force de ce langage réside dans la simplicité de l’établissement d’une séquence de commandes avec regroupement d’actions et validation en cours de parcours.

•La séquence évolue selon cinq règles de base que nous verrons bientôt.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Éléments

•Éléments:


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Automates programmables industrielsGrafcet - Séquence

•Exemple de séquence:

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Automates programmables industrielsGrafcet - Évolution

•Règles d’évolution:

•Règle 1: Situation initiale

•Règle 2: Franchissement d’une transition

•Règle 3: Évolution des étapes actives

•Règle 4: Évolutions simultanées

•Règle 5: Activation / désactivation simultanée d’une étape

•Les chapitres 4 et 5 du livre (Adepa, Le Grafcet 2e édition, Éditions Cépaduès,1995,144 pp ) expliquent en détails les principes survolés ici et il serait bon de les lire.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Évolution (suite)

•Règle 1: Situation initiale

•Étapes actives au début du fonctionnement. Correspond au comportement de repos du procédé habituellement.

•Si l’automatisme n’est pas cyclique (état initial dépendant des états des entrées dès la mise en marche du procédé), alors il peut être utile de « forcer » des étapes initiales.

•En logique, l’activation de ces étapes se fait suivant un créneau unitaire et unique provoqué par le démarrage de l’appareil.

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•Règle 2: Franchissement d’une transition

•Une transition est dite validée lorsque toutes les étapes immédiatement précédentes reliées à cette transition sont actives

•Le franchissement d’une transition se produit si les deux conditions suivantes sont vraies:

•la transition est validée

•la réceptivité associée à cette transition est vraie

•Une transition franchissable est obligatoirement et automatiquement franchie.


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•Règle 3: Évolution des étapes actives

•Le franchissement d’une transition entraîne simultanément la validation de toutes les étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.

•Plus d’une étape peut être valide à un même instant lorsque:• le Grafcet est divisé en plusieurs sous-diagrammes avec chacun une étape initiale

•des transitions de convergence et / ou de divergence se retrouvedans un diagramme

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•Règle 4: Évolutions simultanées

•Plusieurs transitions simultanément franchissables sont simultanément franchies

•La variable Xi (où i est son identificateur numérique) représente l’état de l’étape i (actif=1; inactif=0). Ces variables sont très utiles pour synchroniser plusieurs Grafcet entre eux.


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•Règle 5: Activation / désactivation simultanée d’une étape

•Si une étape est simultanément activée et désactivée au cours d’un même balayage, alors cette étape reste active.

Étape toujours active malgré la pression de BP0.

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•Évolution d’une étape à l’autre


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Automates programmables industrielsGrafcet - Réduction

•Réduction d’un GrafcetUn des avantages d’utiliser le Grafcet est la possibilité d’exprimer clairement un automatisme. Toutefois, il peut être avantageux pour des raisons d’économie de mémoire ou de composantes de réduire le nombre d’étapes de ce dernier en autant que la clarté ne s’en trouve pas compromise.

Fusionnement d’étapes

Pour fonctionner, la condition b doit rester vraie durant toute l’étape 2.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Réduction (suite)

•Simplifications usuelles•suppression d’étapes redondantes (regrouper les actions)•suppression des transitions redondantes (regrouper les réceptivités)•fusionnement d’étapes (plus d’analyse combinatoire dans l’automatisme)

Étapes redondantes

Report direct des actions dans d’autres étapes


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Automates programmables industrielsGrafcet - Réduction (suite)

Regroupement de transitionÉtude du cheminement entre les étapes afin de regrouper les transitions

•Table de véritéa b /a*b (/a*b)+a a+b0 0 0 0 00 1 1 1 11 0 0 1 11 1 0 1 1

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Automates programmables industrielsGrafcet - Parallélisme

Système étudié:•2 bacs vides

•front montant sur m indique le départ du remplissage

•Le deux bacs se remplissent puis se vident lorsque pleins.

•Quand les deux bacs sont vides, le cycle peut recommencer

•Si Valve Xi=1, la valve est ouverte.

•Si hi ou bi = 1, le liquide est au-dessus de ce niveau.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Parallélisme - Solution 1

Interprétation:La dernière réceptivité est toujours vraie, elle ne sert qu’à synchroniser les deux branches d’exécution simultanée.

Les étapes 4 et 7 ne réalisent aucune action, elle servent aussi à la synchronisation.

Une seule étape initiale gère le départ du procédé.

En interprétant pas-à-pas le déroulement des actions, on peut se rendre compte que les deux bacs seront vides (sous le niveau b) à la fin du procédé.

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Interprétation:Cette solution ne nécessite pas d’étapes inutiles et chaque étape n’exécute qu’une seule action

Elle utilise deux étapes initiales, soit une pour chaque branche, ce qui est plus intuitif.

La synchronisation se fait par l’attente de la validation des deux étapes initiales.


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Interprétation:2 Grafcets « indépendants » synchronisé par l’ajout d’une condition dans les réceptivités de départ de procédé.

Aucune étape ajoutée et interprétation assez simple avec une seule action par étape.

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Interprétation:Une seule étape initiale, mais aucune étape d’attente ajoutée.

Utilise l’inhibition des actionspour introduire l’attente effectuant la synchronisation des deux branches.

Solution la plus économe, mais la plus difficile à interpréter. Un peu de clarté est perdue dans le choix de cette solution.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Macroétapes

•Une macroétape sert à:•Faciliter la description des systèmes complexes.

•Alléger le graphisme (la représentation) d’un Grafcet en détaillant certaines parties.

•Chaque macroétape respecte:•Une seule étape d’entrée (préfixe E) et une seule étape de sortie (préfixe S).•Le franchissement d’une transition en amont de la macroétape active l’étape d’entrée de son expansion.•L’étape de sortie participe à la validation des transitions en aval de la macroétape.•Aucune liaison ne peut mener vers ou hors de l’expansion d’une macroétape.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Macroétapes (suite)

•La même macroétape peut être utilisée plusieurs fois:

•Les lignes pointillées montrent l’expansion de la macroétape, elles sont facultatives.


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•Si pour une raison on veut éliminer une macroétape dans un Grafcet, il y a deux solutions:

•Substituer la macroétape par son expansion pour chacun de ses appels.

•Créer un Grafcet concurrent contrôlé par le Grafcet principal et comprenant la macroétape.

•Une raison de faire cela est lorsque le logiciel de programmation utilisé ne supporte pas les macroétapes (certains vieux logiciels) ou lorsqu’il ne permet pas les appels multiples à une macroétape (c’est le cas du logiciel PL7 que nous utilisons au laboratoire).

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•La substitution s’explique d’elle-même, mais voyons la création d’un Grafcet concurrent.

•Les conditions d’activation sont mises en parallèle.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Macroactions

•Une macroaction sert à:•Réduire la complexité des Grafcets.•Faciliter la compréhension, correction et mise à jour de ces derniers.•Réglementer la hiérarchie qui existe entre plusieurs Grafcets concurrents.

•Une macroaction peut être:•Impulsionnelle : ordre instantané sur le système.•À niveau : consigne constante valide pour la durée de son activité.

•Exemples de macroactions:•Forcer: oblige à aller à une étape (Impulsionnelle)•Forçage oblige à aller et rester à une étape (À niveau)•Figeage maintien de l’état actuel du système (À niveau)•Masquage inhibe une action (À niveau)

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Automates programmables industrielsGrafcet - Macroactions (suite)

•Forcer : Si X4 devient active, alors X12 sera activée directement.


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•Forçage : Si X4 devient active, alors X12 sera activée tant que X4 le demeure.

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•Figeage : Si X4 devient active, alors G2 conserve son état pendant toute cette activité.


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•Masquage : Si X4 devient active, alors l’action A de G2 est inhibée

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Automates programmables industrielsGrafcet - Sécurité

•Très important d ’assurer la sécurité. On décèle deux niveaux de sécurité:

•Essentielle: éviter les catastrophes et les dangers possibles; toujours en tenir compte quelles que soient les circonstances

•Secondaire: assurer la protection des organes de commande du système; éviter les actions incompatibles

•Plusieurs façons d’implanter la sécurité dans un automatisme:

•Verrouillage des commandes

•Verrouillage des états

•Chacun avec ou sans procédure spéciale d’arrêt


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•Verrouillage des commandes (actions):

•Conditions sur l’application des commandes sur les actionneurs (niveau 2).

Peu importe les conditions en début de ligne, les bobines Q2.0 et Q2.2 sont mutuellement exclusives (une seule active à un moment donné.

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•Verrouillage des états (évolution):

•Évolution de l’automatisme fonction de certaines conditions (niveaux 1, 2)

•Exemples:

•Initialisation et coupure d’énergie

•Incidents de fonctionnement détectés

•Inhibition des actions

•Génération d ’actions spécifiques

•Procédure particulière

•Arrêt d’urgence (cas le plus utilisé)


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Automates programmables industrielsGrafcet - Sécurité - Arrêt d’urgence

•Une façon de traiter l’arrêt d’urgence est de le traiter comme une variable ordinaire du Grafcet. Or ceci mène rapidement vers un Grafcet illisible...

•Demande une liaison pour chaque étape

•Dans un Grafcet complexe, un lien direct avec l’étape d’urgence peut facilement être impossible.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Arrêt d’urgence (suite)

•S’il n’y a pas de séquence spéciale d’urgence, alors il n’y a qu’à figer l’évolution et inhiber les actions lorsque l’arrêt est demandé.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Arrêt d’urgence (suite)

•Lorsqu’une séquence spéciale est nécessaire, une bonne façon de gérer le problème est d’utiliser la synchronisation et d’avoir un Grafcet pour le déroulement normal et un deuxième Grafcet pour les séquences de sécurité.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Implantation

•Selon le logiciel utilisé, l’implantation d’un Grafcet peut varier grandement. Toutefois, la base demeure souvent la même.

•L’implantation se divise habituellement en trois parties très importantes:

•Les traitements préliminaires (circuit combinatoire d’entrée)

•Le Grafcet (circuit séquentiel)

•Les traitements postérieurs (circuit combinatoire de sortie)

•Chaque niveau a son utilité afin de faciliter la conception et la lecture d’un Grafcet qui devra être programmé.


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Automates programmables industrielsGrafcet - Implantation (suite)

•Traitements préliminaires:

•Contient le traitement des entrées et la mise en mémoire de conditions complexes dépendant de ces dernières.

•Les manipulations de données se font le plus souvent dans cette section.

•Ces lignes sont les premières traitées lors d’un balayage du programme par l’automate.

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•Circuit séquentiel:

•La validation / désactivation des étapes est traitée à ce niveau selon l’état actuel du système et la valeur des réceptivités.


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•Traitements postérieurs:

•Les sorties sont affectées durant ce niveau et suivant les étapes actives et les conditions d’inhibition des actions.

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Automates programmables industrielsGrafcet - Traduction en LD

•La programmation directe d’un Grafcet implique la conversion en diagramme à relais de la séquence d’événements. Pour ce faire, chaque étape est associée à une mémoire binaire et il faut exprimer les conditions d’activation de cette mémoire.

•Deux types de mémoire:•Déclenchement prioritaire (arrêt prédominant)

Ei = /Ei+1*((Ei-1*Ti-1)+Ei)

•Enclenchement prioritaire (départ prédominant)

Ei = (Ei-1*Ti-1)+(Ei*/Ei+1) (meilleur choix)


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Automates programmables industrielsGrafcet - Traduction en LD (suite)

•Normalement, les deux types de mémoire peuvent être choisis, sauf dans le cas d’un Grafcet à deux étapes.

Dans le premier cas, E2 ne peut être activée lorsque E1 est active et que T1 passe passe de 0 à 1. Or, fonctionne si on a trois étapes...

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•Exemple complet: •Il faut générer les éléments suivants pour implanter cette séquence en diagramme à relais:

•Générer l’impulsion d’activation de l’étape initiale.

•Générer l’impulsion sur la pression de BP.

•Coder la séquence avec des mémoires à enclenchement.

•Générer le circuit d’affectation des sorties.


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