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Les Automates Programmables Industriels (API)
PLC : programmable logic controller
Philippe RAYMOND - révision mai 2004
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Historique
A la fin des années 60, Un fabricant américain de voitures décide de remplacer les systèmes de commande à base de logique cablée (relais
électrique) par une logique programmée.
Ambiance industrielle
bruit électrique
poussière
température
humidité
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Cahier des charges de l’époque
programmation facile
utilisable par le personnel en place
Adaptation aux nombreuses variétés E/S
Solution pour un coût acceptable
Simplicité de mise en œuvre
Supporter l’ambiance industrielle
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L’ordinateur en 1969
Juillet 1969La Mission Apollo XI dépose N.
Armstrong sur la lune ! Deux GE 635 ont contrôlé le vol.
coût “astronomique”
utilisation complexe
nécessite un environnement
particulier
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The first PLC, model 084, was inventedby Dick Morley in 1969
The “084” - DetailsThe “084” consisted of three major components mounted on two vertical rails, one of which was hinged to allow for service access to the front and back.
Ladder Logic:The use of Ladder Logic was significant in the rapid acceptance of the “084” because the very same engineers and electricians who designed and maintained Factory Automation Systems could also program an “084”. Ladder Logic was simply an electronic version of the elementary electrical diagram that they already used -- not the case for other types of control systems being designed at the time.
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The “084” - Details
Input/Output Rack (top)Two I/O Racks could be mounted on top of the “084” for a total capacity of 256 I/O Points (only one mounted on the unit shown).
CPU (middle)The middle unit contained the CPU. The “084” had 1K x 16 Bit Core Memory, which included both the operating system memory as well as the User Program.
Power Supply (bottom)A Single Phase 115V Line was connected to the front of the Power Supply Module, which supplied DC Power to the restof the unit.
Options:
TimerCounterPortable Programming PanelMagnetic Tape Cartridge Program Loader
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Les API d’aujourd’hui
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Architecture interne
BUS INTERNE
UN
ITE DE TR
AITEMEN
T
ALIMEN
TATION
CAR
TE ENTR
EES
TOR
, ANA,
CO
MPTAG
E RAPID
E
CAR
TES SOR
TIES
TOR
, ANA
CAR
TES METIERS
POSITIO
NN
EMEN
TR
EGU
LATION
AXESVISIO
NR
ESEAUX, C
ode barre
CLOCK
RAM: Random Access Memory
ROM: Read Only MemoryE2PROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
RAMMEMOIREDONNEES
ROMMEMOIRE
PROGRAMME
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Les fonctions
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Essai de classification
Logique cablée
Volume & niveau d’automatisme
nombre d’équipement
SOFT PLC : Pc industriel et logiciel de contrôle
commandeautomate modulaire
(réseaux et métiers)
automate compact
?Cartes dédiées
Relais programmable
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Architecture réseau
Entreprise Network
directly connectedI/O
Control Bus(e.g. Ethernet)
engineerstation
I/O I/O I/O I/OCPU
Sensor Bus (e.g. ASI)
Field Bus (proprietary)
gateway
Field Stations
Control Station with Field Bus
direct I/O
I/O
Field DevicesFB
gateway
gateway
I/OI/OI/OI/OCPU
CO
M
I/OI/OI/OCO
MC
PUC
OM
CO
M
CO
M
I/O
Field Bus (standard)
CPU
CO
M 2
I/O I/O I/OCPU CO
M1
CO
M 2
I/OCPU
operatorstation
PLC
small PLClocal intelligence
PLCPLC
CO
M1
CO
M1
SupervisorStation
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Exemple
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Aspect programmation
FONCTIONS DES ATELIERS LOGICIEL
•gestion des projets
•configuration API
•édition, compilation
•Transfert console <> API
•Mise au point dynamique
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Les langages IEC1131
Ladder Diagram (LD)
AUTO
MAN_ON
ACT
CALC1
CALCIN1
IN2
OUTPUMP
Function Block Diagram (FBD)CALC1
CALC
IN1
IN2
OUT
PUMP
AUTO
MAN_ONACT
>=1
DI
V DO
V
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Les langages IEC1131
Structured Text (ST)VAR CONSTANT X : REAL := 53.8 ;Z : REAL; END_VARVAR aFB, bFB : FB_type; END_VAR
bFB(A:=1, B:=‘OK’);Z := X - INT_TO_REAL (bFB.OUT1);IF Z>57.0 THEN aFB(A:=0, B:=“ERR”);ELSE aFB(A:=1, B:=“Z is OK”);END_IF
Instruction List (IL)A: LD %IX1 (* PUSH BUTTON *)
ANDN %MX5 (* NOT INHIBITED *)ST %QX2 (* FAN ON *)
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Les langages IEC1131
Sequential Flow Chart (SFC)
START STEP
T1
T2
D1_READY
D2_READYSTEP A ACTION D1N
D ACTION D2
STEP B D3_READY
D4_READY
ACTION D3N
D ACTION D4T3
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Comparaison des langages
Peu flexibleDescription du fonctionnement (séquentiel) de l ’automatisme.Gestion des modes de marchesPas toujours accepté dans l’industrie…
SFC
très lourd et difficile à suivre si le programme est complexePas visuel.
langage de base de tout PLC type assembleur
IL
Pas toujours disponible dans les ateliers logiciels
Langage de haut niveau (langage pascal)Pour faire de l’algorithmique
ST
Peut devenir très lourd lorsque les équations se compliquent
Très visuel et facile à lireFBD
suppose une programmation bien structurée
facile à lire et à comprendre par la majorité des électriciens langage de base de tout PLC
LD
INCONVENIENTSAVANTAGESLANGAGE
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Multi-langages, multi-programmes !
ExempleIsagraf
Exemple Siemens
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Multi-langages, multi-programmes !
Exemple Schneider
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Avantages des API
haute modularité. présentation en rackmodularité
temps de cycle de quelque msvitesse
gamme importante d’automatetaille des applications
assure les fonctions Conduites, Dialogue, Communication et Sûreté.
fonctions
très favorable au évolution. très utilisé en reconstruction d’armoire.
évolutivité
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Avantages des API
norme IEC 1131 portabilité d’une application
échange standards et aide au diagnostique intégrée
maintenance
mise au point rendu plus facile avec l’apparition des outils de simulation de PO
mise en oeuvre
centralisée ou décentralisée avec l’apparition d’une offre importante en choix de réseaux , bus de terrain, blocs E/S déportées.
architecture de commande
très facile avec des outils de programmation de plus en plus puissant
développement d’une application et documentation
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Exemple (tendance micro)FPO by MATSUSHITA AUTOMATION CONTROLS
vitesse de 0,9 µs/pas - scrutation cyclique
(possibilité en scrutation périodique)
programmation en langage LD et FDB et GRAFCET
EEPROM programme 5,4Ko (2720 pas) ou 10Ko (5000 pas)
chien de garde - mise en réseau possible avec adaptateur - programmable en IEC 1131
E/S 6/4 8/6 8/8 16/16 et bientôt 128 – Analogique disponible
capture d’impulsion
interruption périodique programmable de 0,5 ms à 30 s
90x25x60 mm et moins de 100g !
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Etat du marché
Micro: 15 to 128 I/O points
Medium: 128 - 512 I/O points
Large: > 512 I/O points
Nano: < 15 I/O points
Software PLC & cartes spé.
32%
29%
20%
7%
14%
% API
Source: Control Engineering, Reed Research, 2002-09
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Les constructeurs
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Acquisition des entrées
écriture en mémoire de l'état des informations
présentes sur les entrées (réalise une
image du monde extérieur)
Acquisition des entrées
E BUS INTERNE
CAR
TE ENTR
EES
TOR
, ANA,
CO
MPTAG
E RAPID
E
RAMMEMOIREDONNEES
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Traitement
Traitement du programme
T
exécution du programme
application, écrit par l'utilisateur.
BUS INTERNE
RAMMEMOIREDONNEES
ROMMEMOIRE
PROGRAMME
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Mise a jour des sorties
CAR
TES SOR
TIES
TOR
, ANA
BUS INTERNE
RAMMEMOIREDONNEES Mise à jour
des sorties
S
écriture des bits ou des mots de sorties
associés aux modules TOR et métier selon
l'état défini par le programme application.
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Tâche Automate
Acquisition des entrées
ETraitement
du programme
TMise à jour des sorties
S
Temps de cycleTC= TE+TT+TS
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Exemple
Cartes Entrées
Cartes SortiesQ 124Q124.X
7 0
I 124.X7 0
I 124Capteur
I 124.5 Q124.1
CPUActionneur
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fonctionnement mono-tâche cyclique (asynchrone)
E T S
T-1
E T S
T
E T S
T+1
Ce type de fonctionnement consiste à enchaîner les cycles les uns après les autres.
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fonctionnement mono-tâche périodique(synchrone)
E T ST-1
E T ST
E T ST+1
te tete
Dans ce mode de fonctionnement, l'acquisition des entrées, le traitement du programme et la mise à jour des sorties s'effectue
de façon périodique te ms selon un temps défini par configuration API .
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Retard dans le traitement de l’événement
E T S
T-1
E T S
T
E T S
T+1
EVENEMENT
ACTION CONSECUTIVE A L’EVENEMENT
ACQUISITION
2. Tc
Les deux modes de traitements (cyclique ou périodique) sont appelédifféré. Dans le pire des cas, il peut s ’écouler à peu prés 2 fois le temps de cycle moyen avant que l’UT réagisse à l’apparition d’un événement
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Les interruptions
E T S
T-1
E T
T
E T S
T+1
1) EVENEMENT
4) ACTION CONSECUTIVE A L’EVENEMENT
E T S
3) EXECUTION DU TRAITEMENT EVENEMENTIEL
Le traitement est nécessairement court afin de ne pas perturber l'exécution des
autres tâches.
2) INTERRUPTION DU TRAITEMENT MAITRE
S
5) REPRISE DU TRAITEMENT
Les traitements événementiels permettent de prendre en compte des événements de commande et de les traiter le plus rapidement possible
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Traitement multitâches
TAC
HE
RA
PIDE
TAC
HE
MA
ITRE
TAC
HEs
AU
XILIA
IREs
PERIODIQUE
EVENEMENTS
TAC
HE
INTER
RU
PTION
- PRIORITE +
La tâche rapide permet d'effectuer des traitements courts avec une priorité plus élevée que dans la tâche maître
Le traitement est nécessairement court afin de ne pas perturber l'exécution des autres tâches
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Chien de garde(watchdog)
La durée d'exécution de la tâche maître, en fonctionnement cyclique ou périodique, est contrôlée par l'automate (chien de garde) et ne doit pas dépasser la valeur définie en configurationDans le cas de débordement, l'application est déclarée en défaut, ce qui provoque l'arrêt immédiat de l'automate
E T ST-1
E T DEF. CPU, erreur prog.
T
Durée du chien de garde
! STOP CPU
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Un contact est associé au watchdog