Risques et Précautions liés au Matériel INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES Ingénieurs en Sécurité Industrielle STRUCTURE DES AUTOMATES PROGRAMMABLES STRUCTURE GÉNÉRALE D UN AUTOMATE PROGRAMMABLE... 1 1 - Alimentation électrique...2 2 - L unité centrale...2 3 - Coupleurs d entrées-sorties...3 4 - Coupleurs périphériques...5 Ce document comporte 6 pages IR AUT - - Rév. 1 27/06/2005
1 Le rôle de l automate programmable est de réaliser la logique de l automatisme à partir des informations venant des capteurs pour en déduire les ordres appropriés à envoyer aux actionneurs, en utilisant une technologie électronique entièrement statique. La logique est mémorisée sous forme d un programme ou logiciel et non plus sous forme de câblage électrique, pneumatique ou hydraulique. La logique programmée s adapte facilement aux besoins et aux modifications par simples changements dans le programme alors que la logique câblée nécessite à chaque fois une reprise du câblage (câbles et relais). Un automate programmable industriel (dit API ) est une sorte de mini ordinateur spécialisé destiné à travailler dans un milieu difficile, perturbé, en liaison avec des capteurs et des actionneurs de toute nature. Son langage de programmation est simple et restreint et peut se représenter sous différentes formes proches des schémas classiques : schémas à relais, logigrammes, grafcet, STRUCTURE GÉNÉRALE D UN AUTOMATE PROGRAMMABLE La structure de base d un API est la suivante : ACTIONNEURS PROCÉDÉ CAPTEURS 220 V Alimentation électrique Coupleurs de sorties Unité centrale Coupleurs d'entrées Coupleurs de périphériques D IRA 1369 A
2 1 - ALIMENTATION ÉLECTRIQUE C est en général du 220 volts du secteur. Le bloc alimentation de l automate transforme cette tension en différentes alimentations pour les besoins divers des circuits électroniques. Ce sont souvent des tensions continues avec une sauvegarde temporaire par présence d une partie batterie rechargeable. Le bloc est généralement doté de voyants lumineux ( LED ) en face avant, signalant les états normaux ou anormaux des différentes tensions nécessaires au fonctionnement de l automate. 2 - L UNITÉ CENTRALE (UC en français, CPU = Control Process Unit en anglais) C est le cœur de la machine, dont le rôle est d interroger par scrutation l état des entrées, de traiter les instructions du programme qui lui a été entré en mémoire et d envoyer les ordres adéquats aux sorties. L unité centrale est elle-même constituée de plusieurs éléments dont les principaux sont la mémoire, le processeur, le bus. a - La mémoire C est la fonction destinée à contenir les informations des programmes. La mémoire est divisée en plusieurs blocs spécialisés. Certaines de ces informations sont permanentes : instructions de service assurant le fonctionnement propre de la machine (synchronisations, codages et décodages, portes logiques, ET, OU, gestion du langage propre à l automate). Elles constituent le programme exploitation (ou programme système). Les informations propres à l automatisme considéré, lié au process, constituent le programme utilisateur. En font partie les différentes données, telles que les valeurs de certaines consignes, constantes liées à l installation, ainsi que les valeurs instantanées des entrées et sorties, et toute la logique combinatoire ou séquentielle désirée, y compris les séquences particulières de sécurité, d arrêts d urgence, de démarrage, d arrêts, de redémarrages, Sur le plan technologique, les mémoires se classent en deux grandes familles : - mémoires volatiles ou vives (RAM) sont chargées, lues, effacées par l unité centrale, pour des stockages d informations ou d instructions temporaires. Leur contenu est perdu sur une coupure de courant, à moins d être secourues par une batterie - mémoires permanentes ou mortes qui ne s effacent plus une fois programmées (PROM). Certaines peuvent être reprogrammées mais à condition d avoir été préalablement effacées par une action volontaire (EPROM, effacées par une lampe spéciale à rayons ultraviolets, EEPROM effacées par des signaux électriques particuliers provenant d une console extérieure à l automate) b - Le processeur C est le bloc qui gère l ensemble des autres sous-ensembles, qui lit de façon cyclique toutes les informations et instructions des différents programmes stockés dans les mémoires.
3 c - Le bus Les différents blocs de l automate doivent être reliés entre eux pour pouvoir échanger leurs informations dont les flux peuvent être énormes. C est une sorte d autoroute à grand débit, réalisée sous forme de circuit imprimé sur lequel viennent s embrocher les différentes cartes constituant l automate. BUS EXTERNE Liaison données RS 485 Niveau d'entrée sortie Base de temps BUS INTERNE Microprocesseur Mémoire programmes système Mémoire programmes utilisateur Mémoire données D IRA 1368 A Exemple de structure d un automate programmable 3 - COUPLEURS D ENTRÉES-SORTIES Les entrées et sorties (E/S) relient les capteurs, respectivement les actionneurs, à l automate proprement dit. Le langage de base étant binaire, la plupart de ces entrées et sorties sont en Tout-Ou-Rien (T.O.R.), c est-à-dire à deux états possibles seulement (ce sont des bits). D autres entrées/sorties peuvent être numériques : les informations sont des groupes de bits (octets ou mots par exemple). Certaines entrées/sorties peuvent être analogiques. L automate ne sachant gérer que des bits (ou leurs associations en octets ou en mots), des convertisseurs numériques/analogiques sont indispensables.
4 D une façon générale, les signaux externes à l automate sont découplés des signaux internes correspondants pour éviter des interactions parasites auxquelles l électronique est très sensible. L automate est donc pourvu de cartes-coupleurs entrées/sorties assurant la double fonction découplage des signaux et branchement (par borniers) des câbles externes allant aux différents capteurs et actionneurs de l installation. Généralement, ces cartes E/S sont pourvues de voyants (LED) en face avant, signalant l état (0 ou 1) des E/S correspondantes. C est une aide précieuse à la recherche de panne. Une technologie courante de couplage est le coupleur optoélectronique ou optocoupleur. Entrée venant du capteur Visualisation de l'état de l'entrée Coupleur optoélectronique Entrée dans l'automate D IRA 193 A Une autre solution est le coupleur électromécanique. Sortie de l'automate Vers l'actionneur Relais électromécanique de découplage D IRA 197 A
5 4 - COUPLEURS PÉRIPHÉRIQUES Le matériel décrit précédemment est l automate dans sa configuration normale de fonctionnement. D autres équipements, appelés périphériques, doivent lui être raccordés temporairement comme la console de programmation ou peuvent être raccordés selon les options choisies, comme des écrans de visualisation, d autres automates, une conduite centralisée. Le raccordement de ces périphériques, pouvant provenir de plusieurs constructeurs, doivent être capables de dialoguer ensemble. Pour cela, l automate peut être doté de cartes interfaces ou de coupleurs de périphériques assurant les couplages/découplages des signaux et/ou les compatibilités entre les différentes machines.