COMMANDE DES SYSTEMES AUTOMATISES (partie 4/6)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer le cycle de structuration, programmation et raccordement d’un automate programmable industriel (API) ; - identifier les différentes parties d’un API (alimentation, entrées/sorties, mémoire, communication) et réaliser le câblage des schémas électriques d’entrées/sorties conformément aux normes de sécurité ; - traduire un cahier des charges en équations booléennes et le programmer en langage LADDER sur un API, en appliquant les bonnes pratiques de programmation industrielle. **Prérequis** : connaissances de base en électrotechnique (tensions, courants, relais, capteurs), notions de logique booléenne (AND, OR, NOT), lecture de schémas électriques simples, utilisation d’un multimètre et d’un tournevis isolé. ## Introduction Dans les entreprises camerounaises de transformation agro‑alimentaire, de textile ou de métallurgie, l’automatisation des lignes de production repose largement sur les API. Ces dispositifs permettent de remplacer les relais électromécaniques par une logique programmable, offrant flexibilité, traçabilité et réduction des temps d’arrêt. Le présent cours s’inscrit dans la logique du programme officiel MINESEC/IGE (approche par compétences) et prépare les élèves aux épreuves pratiques du baccalauréat série F, où ils devront réaliser un TP d’identification et de câblage, puis programmer un API en LADDER pour résoudre un problème de commande réel. ## I. Leçon 16 : fonctionnement des API – cycle de structuration, programmation et raccordement des constituants ### 1. Définition d’un API Un **Automate Programmable Industriel** (API) est un ordinateur industriel dédié à la commande en temps réel de processus automatisés. Il possède des entrées/sorties numériques ou analogiques, une mémoire de programme, une unité centrale de traitement (CPU) et des interfaces de communication (Ethernet, Profibus, Modbus). > **Un API fonctionne en cycle de balayage (scan) : lecture des entrées, exécution du programme, mise à jour des sorties.** ### 2. Cycle de vie d’un API | Étape | Description | Action principale | |-------|-------------|-------------------| | **Structuration** | Analyse du procédé, définition des fonctions (démarrage, arrêt, sécurité, régulation) | Élaboration du cahier des charges fonctionnel | | **Programmation** | Traduction du cahier des charges en langage de programmation (LADDER, STL, FBD) | Écriture du programme, tests en simulation | | **Raccordement** | Câblage des capteurs/actionneurs aux borniers de l’API, mise sous tension, mise en service | Vérification de la continuité, réglage des seuils | ### 3. Principes de fonctionnement - **Cycle de balayage** : période typique de 10 ms à 100 ms selon le modèle. - **Mémoire** : zone de travail (registres, timers, compteurs) et zone de programme (non volatile). - **Entrées/sorties** : peuvent être discrètes (24 V DC) ou analogiques (0‑10 V, 4‑20 mA). - **Sécurité** : l’API doit respecter la norme IEC 61131‑3 (langages de programmation) et la NF C 15‑100 (installations électriques basse tension). ### 4. Exemple d’atelier au Cameroun Dans une unité de transformation du cacao à Yaoundé, l’API commande le convoyeur qui transporte les fèves vers le torréfacteur. Les étapes de structuration ont identifié trois fonctions : démarrage/arrêt, surveillance de la température, arrêt d’urgence. Le programme a été écrit en LADDER, puis les capteurs de température (PT100) connectés via une entrée analogique (ou via un transmetteur) et les boutons‑poussoirs ont été câblés sur les borniers d’entrée ; les relais de puissance ont été reliés aux sorties. ## II. Leçon 17 : TP – identification des parties d’un API et câblage des schémas électriques d’entrées/sorties ### 1. Matériel nécessaire - API modèle (ex : Schneider Electric Modicon M221) - Borniers à vis (entrées : X0‑X7, sorties : Y0‑Y7) - Câbles souples 1,5 mm² (code couleur : bleu = neutre, marron = phase, vert/jaune = terre) - Boutons‑poussoirs NO, capteurs de proximité inductifs 24 V DC, relais 24 V DC, lampe témoin - Multimètre numérique, tournevis isolé, serre‑câbles, étiquettes ### 2. Étapes d’identification 1. **Repérage de l’alimentation** : borniers +24 V, 0 V (ou L1, L2, N, PE selon modèle). 2. **Localisation des entrées discrètes** : groupe X0‑X7, souvent marqués « IN ». 3. **Localisation des sorties discrètes** : groupe Y0‑Y7, marqués « OUT ». 4. **Identification des borniers de communication** : port RJ45 (Ethernet) ou DB9 (RS‑232/485). 5. **Vérification de la mémoire** : présence d’un slot pour carte SD ou clé USB (programme). ### 3. Schéma électrique type **Entrée** ``` +24V ---+---[Bouton poussoir NO]---+---[X0]---+ | | +---[Capteur proximité]---+ | -24V (commun) ``` **Sortie** (exemple : Y0 commandant une bobine de relais et une lampe en parallèle) ``` +24V ---+---[Bobine relais]---+---[Lampe 24V]---+ | | | +---[Y0] (sortie)--------+ | | | -24V -------------------------------+ ``` Le commun des sorties est relié au -24 V de l’alimentation. ### 4. Procédure de câblage pas à pas (avec consignes de sécurité) > **Toujours couper l’alimentation avant de manipuler les borniers (verrouillage/étiquetage).** 1. Installer l’API sur son rail DIN, vérifier le bon serrage. 2. Connecter l’alimentation : L1 → +24 V, N → -24 V, PE à la terre de l’armoire. 3. Câbler chaque entrée : une borne du capteur/bouton sur Xn, l’autre sur le commun -24 V. 4. Câbler chaque sortie : borne Yn sur une bobine de relais ou lampe, l’autre borne sur le commun -24 V. 5. Serrer les vis, couper l’excès de câble, poser des étiquettes (ex : X0 = BP démarrage). 6. Effectuer un contrôle de continuité avec le multimètre (résistance < 1 Ω). 7. Remettre sous tension, vérifier les voyants d’état de l’API (RUN, ERR). ### 5. Vérification et mise sous tension - Allumer l’alimentation, observer que le voyant POWER est vert. - En mode MONITOR, forcer chaque entrée à l’état haut et vérifier que le bit correspondant passe à 1 dans le tableau de bord du logiciel. - Actionner chaque sortie et confirmer l’activation du relais/lampe. ### 6. Tableau récapitulatif des borniers (exemple Modicon M221) | Borne | Fonction | Tension | Remarque | |-------|----------|---------|----------| | L1 | +24 V DC | 24 V | Alimentation | | N | -24 V DC | 0 V (référence) | Commun | | PE | Terre | 0 V | Protection | | X0‑X7 | Entrées discrètes | 24 V | NO/NC selon capteur | | Y0‑Y7 | Sorties discrètes | 24 V | Charge ≤ 2 A | | RJ45 | Ethernet | – | Programmation/SCADA | ## III. Leçon 18 : TD – programmation d’un API en équations booléenes, langage LADDER ### 1. Présentation du langage LADDER Le langage LADDER représente le programme sous forme de **contacts** (entrées) et de **bobines** (sorties) disposés sur des **rampes** (rungs). Un contact fermé correspond à un état logique 1, une bobine energisée à la sortie 1. > **Un contact normalement ouvert (NO) = `X` ; un contact normalement fermé (NC) = `/X`.** ### 2. Équations booléenes de base | Opération | Symbolique Ladder | Équation booléenne | |-----------|-------------------|--------------------| | AND | Deux contacts en série | `Y = X1 • X2` | | OR | Deux contacts en parallèle | `Y = X1 + X2` | | NOT | Contact NC en série avec bobine | `Y = /X` | | NAND | AND suivi d’un NOT sur la bobine | `Y = /(X1 • X2)` | | NOR | OR suivi d’un NOT sur la bobine | `Y = /(X1 + X2)` | ### 3. Méthode de conversion d’un cahier des charges en logique ladder 1. Lister toutes les **conditions d’entrée** (capteurs, boutons). 2. Définir la **sortie souhaitée** pour chaque combinaison d’entrées (table de vérité). 3. Simplifier l’expression booléenne (méthode de Karnaugh ou algèbre de Boole). 4. Traduire chaque terme en contacts série/parallèle, chaque facteur complété en bobine. 5. Ajouter les **interverrouillages** (ex. : arrêt d’urgence prioritaire). ### 4. Exemple complet : commande d’un convoyeur **Cahier des charges** - Démarrage du convoyeur par bouton vert (BP_START). - Arrêt par bouton rouge (BP_STOP) ou par détection de fin de course (FC_FIN). - Sens de marche avant uniquement (pas de marche arrière). - Voyant vert indique marche, voyant rouge indique arrêt. **Variables** - X0 = BP_START (NO) - X1 = BP_STOP (NC) - X2 = FC_FIN (NO) - Y0 = Moteur avant (relais) - Y1 = Voyant vert - Y2 = Voyant rouge **Équations** - Moteur : `Y0 = X0 • /X1 • /X2` - Voyant vert : `Y1 = Y0` - Voyant rouge : `Y2 = /Y0` **Ladder (rung par rung)** ``` Rung 1 : [X0] [/X1] [/X2] ----(Y0)---- Rung 2 : [Y0] ----------------(Y1)---- Rung 3 : [/Y0] ----------------(Y2)---- ``` > **Le contact `/X1` représente le bouton d’arrêt en configuration normalement fermé (ouverture = arrêt).** ### 5. Simulation avec logiciel (Zelio Soft 2 – exemple) 1. Créer un nouveau projet, choisir le modèle M221. 2. Insérer trois entrées (IX0.0, IX0.1, IX0.2) et trois sorties (QX0.0, QX0.1, QX0.2). 3. Dessiner les trois rungs comme ci‑dessus à l’aide de la palette de contacts/bobines. 4. Cliquer sur **Simuler**, actionner les boutons virtuels, observer l’état des sorties. 5. Télécharger le programme sur l’API via câble USB, mettre en marche, vérifier le fonctionnement réel. ### 6. Bonnes pratiques de programmation industrielle - Commenter chaque rung (ex. : « Démarrage convoyeur »). - Utiliser des noms significatifs pour les symboles (START, STOP, FC_FIN). - Séparer les parties sécurité (arrêt d’urgence) dans un rung dédié placé en haut du programme. - Éviter les boucles infinies sans temporisation (utiliser TON, TOF si nécessaire). - Sauvegarder le programme sur carte SD et garder une version papier signée. ## Synthèse du chapitre - Un API fonctionne par cycle de balayage : lecture des entrées → exécution du programme → mise à jour des sorties. - Le cycle de vie comprend **structuration**, **programmation** et **raccordement**, chaque étape obéissant à des normes (IEC 61131‑3, NF C 15‑100). - Lors du TP, on identifie les borniers d’alimentation, d’entrée, de sortie et de communication, puis on câble suivant le schéma électrique en respectant les consignes de verrouillage/étiquetage. - En LADDER, les contacts série réalisent un AND, les contacts parallèle un OR, les contacts NC un NOT. - La programmation passe par l’élaboration d’une table de vérité, la simplification booléenne et la traduction en rungs ladder, avec mise en place d’interverrouillages de sécurité. - Le suivi du programme se fait par simulation (Zelio Soft 2, Schneider EcoStruxure) puis transfert sur l’API pour tests réels. ## Glossaire - **API** : Automate Programmable Industriel, dispositif électronique de commande en temps réel. - **Cycle de balayage (scan)** : période durant laquelle l’API lit ses entrées, exécute son programme et met à jour ses sorties. - **Borniers** : bornes de connexion vissées sur l’API pour les alimentations, entrées/sorties et communication. - **Contact NO** : contact normalement ouvert, ferme lorsque l’entrée est à l’état haut. - **Contact NC** : contact normalement fermé, ouvre lorsque l’entrée est à l’état haut. - **Bobine** : symbole représentant une sortie énergisée lorsqu’elle est alimentée par le logique du rung. - **Rung** : ligne horizontale d’un schéma LADDER contenant des contacts et une bobine. - **Interverrouillage** : condition logique qui priorise une fonction de sécurité (ex. : arrêt d’urgence) sur les autres commandes. - **Temporisateur TON** : bloc fonction qui active sa sortie après un délai preset suivant une entrée déclenchante. - **Modbus** : protocole de communication série utilisé pour échanger des données entre API et périphériques. - **Ethernet industriel** : réseau basé sur IEEE 802.3 utilisé pour la programmation, la supervision et l’intégration de systèmes SCADA. - **Verrouillage/étiquetage (LOTO)** : procédure de sécurité consistant à isoler une source d’énergie et à indiquer qu’elle ne doit pas être remise sous tension. ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Câblage d’une cellule de remplissage **Situation** : Une ligne de remplissage de bouteilles d’eau à Douala utilise un API pour commander une vanne d’entrée (V_IN) et un moteur d’agitation (M_AGIT). Les capteurs sont : un détecteur de niveau bas (N_BAS) et un détecteur de niveau haut (N_HAUT). Le cahier des charges exige : - La vanne s’ouvre lorsque le niveau est bas et se ferme lorsqu’il atteint le haut. - Le moteur d’agitation tourne tant que la vanne est ouverte. **Consignes** : 1. Dessiner le schéma électrique (entrées/sorties). 2. Écrire les équations booléennes. 3. Proposer le ladder correspondant. **Corrigé** 1. **Schéma** - Entrées : X0 = N_BAS (NO), X1 = N_HAUT (NO). - Sorties : Y0 = V_IN (relais 24 V), Y1 = M_AGIT (relais 24 V). - Alimentation : +24 V sur L1, -24 V sur N, terre sur PE. 2. **Équations** - Vanne : `Y0 = X0 • /X1` (ouverture si niveau bas ET pas niveau haut). - Agitation : `Y1 = Y0` (moteur suit l’état de la vanne). 3. **Ladder** ``` Rung 1 : [X0] [/X1] ----(Y0)---- Rung 2 : [Y0] ----------------(Y1)---- ``` ### Exercice 2 – Programmation d’un système de convoyeur avec arrêt d’urgence **Situation** : Un convoyeur transporte des produits vers une station d’emballage. Les éléments sont : - Bouton de démarrage vert (BP_START, NO). - Bouton d’arrêt rouge (BP_STOP, NC). - Capteur de présence de produit devant la station (CAP_PRESENCE, NO). - Bouton d’arrêt d’urgence rouge (E_STOP, NC) placé sur le châssis. - Sorties : moteur du convoyeur (M_CONVOY), voyant vert (V_VERT), voyant rouge (V_ROUGE). Le fonctionnement attendu : - Le convoyeur démarre seulement si BP_START est actionné, BP_STOP et E_STOP sont relâchés, et un produit est détecté. - Le voyant vert indique marche, le voyant rouge indique arrêt (quel que soit le motif). - L’arrêt d’urgence a la priorité absolue et coupe immédiatement le moteur. **Consignes** : 1. Établir la table de vérité simplifiée. 2. Déduire les équations booléennes. 3. Réaliser le ladder. **Corrigé** 1. **Table de vérité** (seuls les cas pertinents sont montrés) | BP_START | BP_STOP | E_STOP | CAP_PRESENCE | M_CONVOY | |----------|---------|--------|--------------|----------| | 0 | X | X | X | 0 | | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | | X | 1 | X | X | 0 | | X | X | 1 | X | 0 | 2. **Équations** - Moteur : `M_CONVOY = BP_START • /BP_STOP • /E_STOP • CAP_PRESENCE` - Voyant vert : `V_VERT = M_CONVOY` - Voyant rouge : `V_ROUGE = /M_CONVOY` 3. **Ladder** ``` Rung 1 : [BP_START] [/BP_STOP] [/E_STOP] [CAP_PRESENCE] ----(M_CONVOY)---- Rung 2 : [M_CONVOY] --------------------------------(V_VERT)---- Rung 3 : [/M_CONVOY] -------------------------------(V_ROUGE)---- ``` ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de couper l’alimentation avant de toucher aux borniers | Risque de choc électrique, endommagement de l’API | Appliquer systématiquement le verrouillage/étiquetage (LOTO) avant toute intervention. | | 2 | Inverser la polarité d’une entrée analogique (ex. : brancher le signal sur le commun) | Lecture erronée, déclenchement intempestif des sorties | Vérifier le schéma de câblage et utiliser un multimètre en mode continuité pour confirmer le bon branchement avant mise sous tension. | | 3 | Programmer une boucle sans temporisation (ex. : `WHILE TRUE` en Ladder via un contact auto‑entretenu sans sortie) | Surcharge du CPU, dépassement du temps de cycle, arrêt de l’API | Utiliser les blocs temporisateurs (TON, TOF) lorsqu’une attente est nécessaire ; limiter l’usage des contacts auto‑entretenus aux seules fonctions de mémoire. | | 4 | Négliger la protection contre les surtensions sur les entrées 24 V (absence de varistor ou de diode TVS) | Détérioration des cartes d’entrée lors de commutation de charges inductives | Installer une varistor ou une diode TVS en parallèle avec chaque entrée ou utiliser des modules d’entrée avec protection intégrée. | | 5 | Utiliser des sections de câble trop fines pour les sorties puissance (ex. : 0,5 mm² pour un relais 2 A) | Surchauffe, chute de tension, déclenchement intempestif du disjoncteur | Respecter la section minimale définie par la norme NF C 15‑100 (ex. : 1,5 mm² pour ≤ 10 A à 24 V DC). | | 6 | Oublier de mettre à jour la documentation après modification du programme | Difficulté de maintenance, risque d’erreur lors d’une future intervention | Consigner chaque modification (date, auteur, description) dans le cahier de charges et sur la carte mémoire de l’API ; conserver une version papier signée. | --- *Fin du cours de référence.*