# NOTES DU COURS D'AUTOMATISME ET RESEAUX INDUSTRIELS.

Djamba Tunda-Olembe, Djamba Tunda-Olembe

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Djamba Tunda-Olembe, Djamba Tunda-Olembe. NOTES DU COURS D'AUTOMATISME ET RESEAUX INDUSTRIELS.. Licence. Cours d' Automatisme et réseaux Industriels, Lubumbashi, Congo-Kinshasa. 2023, pp.138. hal-04884195

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REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO

ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE

UNIVERSITE PROTESTANTE DE LUBUMBASHI

NOTES DU COURS D'AUTOMATISME ET
RESEAUX INDUSTRIELS

(BAC2 RESEAUX ET TELECOMMUNICATIONS)

PAR MASTER ING CIVIL TUNDA-OLEMBE DJAMBA

SEPTEMBRE 2023
# PRESENTATION DU COURS D'AUTOMATIQUE

**FACULTE :** SCIENCES INFORMATIQUES

**PROMOTION :** BAC2 RT

**INTITULE :** AUTOMATISME ET RESEAUX INDUSTRIELS

**VOLUME :** 3 CREDITS

**TITULAIRE :** CT TUNDA-OLEMBE DJAMBA

## I. PRE-REQUIS

RESEAUX INFORMATIQUES, ARCHITECTURE DES MICROPROCESSEURS ET ELECTRONIQUE

## II. LIMINAIRE

L'environnement de l'ingénieur informaticien travaillant dans les installations industrielles de production (Mining, Brasserie, Eau minérale, Savonnerie, Limonadière, etc.) est très varié. Actuellement, presque tous les équipements de production industrielle sont contrôlés et commandés par ordinateurs industriels. Une des préoccupations primordiales des entreprises industrielles est le bon fonctionnement des automatismes (ordinateurs industriels) et des réseaux industriels. C'est pourquoi le but principal du cours d'automatisme et réseaux industriels est de permettre aux étudiants de cerner les bases fondamentales nécessaires à la compréhension de la structure et du fonctionnement des systèmes automatisés contrôlés et commandés par des ordinateurs industriels et des réseaux industriels. A cela, il faut un but secondaire d'initier les étudiants à l'Internet industriel et au système d'information industrielle.

Le cours d'automatisme et réseaux industriels appartient au domaine de l'informatique industrielle. L'informatique industrielle couvre l'ensemble de la technique conception, d'analyse, de programmation et de mise en œuvre des systèmes informatiques à vocation industrielle. Les applications de l'informatique industrielle sont multiples : les systèmes embarques sont utilisés dans les appareils électroniques et électriques, les avions, les automobiles, les avions, les locomotives et les portables ; les automates programmables industriels, les systèmes numériques de commande, la supervision des réseaux des automates et l'Internet industriel sont utilisés dans les systèmes de production industrielle ; ....

Afin de répondre aux besoins du marché, les entreprises doivent rechercher continuellement des solutions. Réduire les dépenses, améliorer le rendement des procèdes industriels ou la qualité des produits, sont des thèmes récurrents que l'entreprise s'efforce d'améliorer pour se démarquer.

Et ces efforts d'amélioration impliquent une bonne coordination entre les différents pôles de l'entreprise notamment au niveau de leurs échanges d'informations. Voilà pourquoi deux types de système d'information se sont développés au niveau des sites de production :
1. Le système d'information de l'entreprise comprenant les fonctions de gestion de l'entreprise (Finances, comptabilité, commerciale et marketing, ressources humaine, ERP, ...)

Le système d'information industriel est un système de traitement des transactions assurant le contrôle, la commande et le pilotage en temps réel des ateliers de fabrication et des lignes de production.

### III. OBJECTIFS DU COURS

#### a) Objectifs généraux :

1. L'étudiant doit comprendre et maitriser les concepts et la terminologie en automatisme et en réseaux industriels ;

2. L'étudiant doit comprendre la structure et la modélisation des systèmes automatisés linéaires et logiques ;

3. L'étudiant doit comprendre la structure et le fonctionnement des automates programmable industriel ;

4. L'étudiant doit comprendre la structure et le fonctionnement des réseaux des locaux industriels et l'Internet industriel.

5. L'étudiant doit comprendre la structure et le fonctionnement des systèmes d'information industriels.

6. L'étudiant doit comprendre et maitriser les aspects matériels et logiciels de l'informatique dans le contexte d'applications à usage industriel, afin de lui permettre de concevoir, et de mettre en œuvre les automatismes, les réseaux industriels et système d'information industriel.

#### b) Objectifs spécifiques :

1. L'étudiant doit être capable d'analyser et de modéliser les systèmes automatisés linéaires et logiques ;

2. L'étudiant doit être capable de sélectionner et de mettre en œuvre un automate programmable industriel ;

3. L'étudiant doit être capable de concevoir, de mettre en œuvre, d'exploiter et d'améliorer les automatismes ; les réseaux industriels et système d'information industriel ;
L'étudiant doit être capable de concevoir, de mettre en œuvre, d'exploiter et d'améliorer les automatismes ; les réseaux industriels et système d'information industriel ;

4. L'étudiant doit être capable d'analyser et d'exploiter un système automatisé de production industrielle contrôlé et commandé par les ordinateurs industriels; et

5. L'étudiant doit être capable d'analyse un système d'information industriel.

### IV. METHODE DE COMMUNICATION

1. Cours théorique orienté vers la pratique ;

2. Travaux et discussions en groupe ;

3. Organisation TD et TP ;

4. Autoformation.

5. Lecture du support du cours

### V. METHODE D'EVALUATION
1. Travaux dirigés et pratiques ;

2. Interrogations ; et

3. Examen

# VI. PLAN DU COURS

- Chapitre 1 : Introduction à l'informatique industrielle (aux automatismes, aux réseaux industriels et au système d'information industriel);

- Chapitre 2 : Automatique et automatisme ;

- Chapitre 3 : Les Automates programmable industriels

- Chapitre 4 : Les réseaux industriels, l' Ethernet industriel et l'Internet industriels;

# VII. BIBLIOGRAPHIE

1. BARTHELEMY F. : cours sur les automates, Département informatique, CNAM/ France, Année 2015.

2. NOUVEL DAMIEN : cours d'introduction aux automates, Département informatique, Université François Rabelais, TOURS / France, Année 2015.

3. BERGOUGNOUX L. : cours sur les automates programmables industriels, POLYTECH Marseille, année 2014.

4. LONGEOT ET AL. : Automatique industrielle, Edition DUNOD, Paris, 2006.
# CHAP.1 : INTRODUCTION A L'INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
(AUTOMATISMES, RESEAUX INDUSTRIELS ET SYSTEME
D'INFORMATION INDUSTRIELS)

## I.1 INTRODUCTION A L'INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

### I.1.1 PRESENTATION DE L'INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

#### I.1.1.1 DEFINITION

L'informatique Industrielle étudie les systèmes informatiques et informatisés avec lesquels l'homme coopère, destinés à la perception, l'observation, l'aide à la décision, la conduite et la commande de systèmes dynamiques et des systèmes de production industrielle. Dans ce cadre, l'informatique industrielle a comme champs d'investigation tous les sujets ou domaines qui relèvent traditionnellement de l'Automatique et de l'ingénierie des systèmes informations et établit des concepts, spécifie des modèles, élabore des méthodes, développe des outils en vue de la conception, de la réalisation et de l'exploitation des systèmes commandés et contrôlés par des ordinateurs.

#### I.1.1.2 APPLICATIONS DE L'INFORMATIQUE

a) Généralités sur les applications

La variété des mises en œuvre matérielles et logicielles est immense : automate programmable pour les systèmes de production, carte à microprocesseur pour des applications industrielles ou liées à la domotique, systèmes de supervision pouvant traiter en temps réel les informations issues d'un grand nombre de capteurs et assurer la commande de multiples actionneurs (centrales de production d'électricité, systèmes industriels continus, contrôle de trafic aérien ou ferroviaire), robots industriels et autonomes, applications embarquées pour l'automobile ou l'avionique, etc.

Optimiser la chaîne de production

Dans les ateliers de production industrielle, les automates règnent en maîtres. Ces différentes machines sont pilotées par des ordinateurs qui leur permettent de dialoguer et de fonctionner. C'est ce qu'on appelle l'informatique industrielle. Elle est omniprésente depuis la conception des produits jusqu'à leur livraison, en passant par leur fabrication. Le rôle de l'informaticien industriel : optimiser le déroulement du processus de production afin d'améliorer la productivité de l'entreprise.

b) Informatiser des ateliers

L'informaticien industriel conçoit l'architecture matérielle des ateliers automatisés, décidant que tel ordinateur commandera tel bras de robot ou que tel autre pilotera le
chariot qui permet de transporter des pièces. Il assure la partie logicielle, en adaptant des modules standard ou en créant des logiciels spécifiques. C'est aussi lui qui crée un programme fixant le planning de production de l'atelier. Son périmètre d'activité peut toucher à la CAO (conception assistée par ordinateur), à la FAO (fabrication assistée par ordinateur) et à la GPAO (gestion de production assistée par ordinateur)...

### c) Anticiper les évolutions technologiques

L'informaticien industriel doit parallèlement veiller au fonctionnement au jour le jour, et prévoir l'évolution du système. Il améliore et fiabilise les équipements existants en modifiant des programmes et en intégrant de nouveaux matériels.

### I.1.1.3 COMPETENCES REQUISES

#### a) Féru de technique

L'informaticien industriel dispose d'un bagage technique important. Il connaît les différents langages informatiques, les logiciels et matériels, et maîtrise les systèmes de production. Il s'intéresse aux nouvelles technologies et se tient au courant des dernières innovations.

#### b) l'écoute

La dimension relationnelle du métier n'est pas à négliger. L'ingénieur en informatique industrielle doit savoir encadrer une équipe. D'autre part, il est à l'écoute de ses clients afin d'identifier leurs besoins et leurs contraintes, puis de les traduire en termes techniques. De son côté, le technicien doit faire preuve de bonnes qualités relationnelles pour communiquer avec les chefs de projet, les ingénieurs, et les professionnels des différents services de l'entreprise.

#### c)

#### d) Anglais pratique et technique

Par ailleurs, une excellente maîtrise de l'anglais est indispensable pour s'insérer dans des groupes industriels de plus en plus internationaux. L'anglais technique a aussi son importance, ne serait-ce que pour comprendre la documentation.

### I.1.2 ASPECTS PROFESSIONNELS

#### a) GENERALITES

À l'heure actuelle, l'informatique est un secteur clé tant au quotidien, que dans le monde industriel où toutes les étapes liées à la vie d'un produit telles que sa conception, sa fabrication ou encore sa distribution sont réalisées à l'aide de cette technologie.

Évoluant dans ce monde informatisé, l'ingénieur en informatique industrielle est chargé de concevoir, puis de piloter le déploiement des robots et des automates qui vont permettre d'accélérer et de faciliter le travail humain, et ainsi augmenter la productivité.
## b) FONCTIONS

L'ingénieur en informatique industrielle doit assumer différentes tâches telles que la conception, la fabrication et la gestion de production assistées par ordinateur. Il a ainsi pour objectif principal de déceler les possibilités d'automatisation d'une entreprise afin d'améliorer le rendement et la productivité de celle-ci.

L'ingénieur en informatique industrielle doit également veiller à ce que les problèmes et imprévus intervenant au sein d'une chaîne de production soient résolus.

Il est aussi chargé de recenser le matériel pour déterminer les machines à modifier ou à changer et pour élaborer, si besoin, nouveaux programmes et logiciels.

Enfin, il doit faire fonctionner et communiquer ensemble plusieurs systèmes de production, et manager des équipes autour de projets d'automatisation. Il doit à la fois veiller au fonctionnement au jour le jour et prévoir l'évolution du système à long terme.

## c) QUALITÉS

- L'ingénieur en informatique industrielle doit disposer d'un bagage technique en béton : connaissance des différents langages informatiques, des logiciels et matériels, maîtrise des systèmes de production.

- D'un tempérament réactif et curieux, il doit se tenir au courant des dernières innovations en matière de technologie. Amené à « mettre les mains dans le cambouis » de temps à autre pour venir à bout d'une panne, il doit être doté d'un grand sens pratique.

Afin d'être à l'écoute des utilisateurs, il est bon communicant et proche du terrain. Et pour encadrer des équipes, un bon sens managérial s'impose.

- Il doit être autonome et rigoureux, et faire preuve d'une bonne résistance au stress. Enfin, en vue d'une bonne insertion dans des multinationales industrielles, il doit maîtriser sur le bout des doigts l'anglais, tant général que technique.
# I.2 INTRODUCTION A L'AUTOMATIQUE ET AUX AUTOMATISMES

## I.2.1 GENERALITES SUR L'AUTOMATIQUE ET LES AUTOMATISMES

### I.2.1.1 DEFINITIONS DE L'AUTOMATIQUE ET EXEMPLES

**# Commandes de vol primaires de l'Airbus A380**

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Précision, Fiabilité.

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

**Définition** : **Automatique**, c'est l'ensemble de théories et de techniques pour la prise de décision et la commande des systèmes. En anglais "*Automatic Control*" (faux ami : commande).

L'automatique est ainsi la discipline scientifique permettant de caractériser les systèmes automatisés et de choisir/concevoir/réaliser la commande des systèmes. Les systèmes de commande s'inspirent le plus souvent de l'homme.

**Définition** : Un système **automatisé** ou **automatique** est un système réalisant des opérations et pour lequel l'homme n'intervient que dans la programmation du système et dans son réglage.

Les buts d'un système automatisé sont de réaliser des tâches complexes ou dangereuses pour l'homme, effectuer des tâches pénibles ou répétitives ou encore gagner en efficacité et en précision.

**Quelques exemples :**

**# Capsuleuse Ravoux**

Tâche répétitive,
Cadence élevée.

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

**# Robot TRIBAR,** inspection des conduites de centrale nucléaire : *Tâche dangereuse, nécessitant précision et fiabilité*

<figure><img src="image_5.png" /></figure>
<figure><img src="image_6.png" /></figure>

Le
distributeur
de billets

Les feux de carrefour
<figure><img src="image_7.png" /></figure>

## Définition

L'automatisation d'un procédé (c'est à dire une machine, un ensemble de machines ou plus généralement un équipement industriel) consiste à en assurer la conduite par un dispositif technologique (appelé automatisme). L'ensemble procédé + automatisme est appelé système automatisé.

### -1-Objectifs de l'automatisation

- produire à qualité constante

- fournir les quantités nécessaires

- augmenter la productivité

- améliorer les conditions de travail

### -2-Fonctions des automatismes

Le degré d'automatisation d'un système varie selon la nature, la complexité, les objectifs assignés au projet.
### -3-Exemple

Prenons à titre d'exemple la surveillance d'une installation de chauffage central d'un édifice quelconque. Si le niveau d'eau diminue, la pression augmente. Au-delà d'une certaine pression la chaudière risque d'exploser. Pour faire baisser la pression il faut tout simplement rajouter de l'eau.

Dans le cas du mode surveillance, un simple indicateur visuel à aiguille nous permet de savoir que la pression a augmenté, ou que le volume d'eau a diminué.

Dans le mode guide opérateur, on donne l'information sur l'action qu'il faut entreprendre, afin de baisser la pression. Un indicateur visuel ou sonore indique qu'il faut ouvrir la vanne d'eau.

Dans le mode commande, l'automatisme commande l'ouverture de la vanne, surveille le niveau d'eau, puis ferme la vanne quand le niveau désiré est atteint.

### -2-Fonctions des automatismes

Le degré d'automatisation d'un système varie selon la nature, la complexité, les objectifs assignés au projet.

<table><thead><tr><th>FONCTION</th><th>Acquisition de l'information</th><th>Traitement de l'information</th><th>Action sur le procédé</th><th>Structure de l'automatisme</th></tr></thead><tbody><tr><td>MODE FONCTIONNEMENT</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Surveillance</td><td>X</td><td></td><td></td><td>Boucle ouverte</td></tr><tr><td>Guide-Opérateur</td><td>X</td><td>X</td><td></td><td>Boucle ouverte</td></tr><tr><td>Commande</td><td>X</td><td>X</td><td>X</td><td>Boucle fermée</td></tr></tbody></table>

### DIFFERENTES FONCTIONS D'UN AUTOMATISME

### -4-Technologies des automatismes
<figure><img src="image_8.png" /></figure>

## PRINCIPALES SOLUTIONS D'UN PROBLEME D'AUTOMATISATION

### Remarques :

-1-L'informatique industrielle est une discipline conjuguant les théories de l'automatique et les moyens de l'informatique pour résoudre des problèmes de nature industrielle.

-2-Un automate programmable industriel ou API est une machine électronique, programmable par un personnel non informaticien, destinée à piloter en ambiance industrielle et en temps réel, des procédés logiques séquentiels.

## PRINCIPALES SOLUTIONS D'UN PROBLEME D'AUTOMATISATION

### Remarques :

-1-L'informatique industrielle est une discipline conjuguant les théories de l'automatique et les moyens de l'informatique pour résoudre des problèmes de nature industrielle.

-2-Un automate programmable industriel ou API est une machine électronique, programmable par un personnel non informaticien, destinée à piloter en ambiance industrielle et en temps réel, des procédés logiques séquentiels.
### I.2.1.2 CLASSIFICATIONS DES SYSTEMES AUTOMATISES

#### 1. Les différentes natures d'information

On a vu (Analyse fonctionnelle, §VII – 1.) qu'à chaque chaîne fonctionnelle d'un système correspond une chaîne d'information et une chaîne d'énergie. L'automatique s'intéresse à la **chaîne d'information**. Les systèmes automatisés vont alors être classés en fonction de la nature des informations de commande ou de mesure, et également en fonction de la nature du traitement de ces informations.

On distingue deux types d'informations : **analogiques** et **discrètes (logiques)**.

**Définition** : une **information (signal) analogique** est une information qui peut prendre toutes les valeurs possibles dans un intervalle donné. Les grandeurs physiques, comme la température, la vitesse, la pression, la tension (...) sont des informations analogiques. Une information analogique peut être représentée par une courbe (voir page suivante).

**Définition** : une **information (signal) discrète** est constituée d'un ensemble fini de valeurs. On distingue :

\# Information binaire (0 ou 1, vrai/faux, noir/blanc, Tout Ou Rien (TOR)).

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

\# Information numérique sous la forme d'un mot binaire, constitué de plusieurs variables binaires (bits¹). Information généralement issue d'un traitement d'une information analogique (échantillonnage, codage²).

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Information analogique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Information numérique</figcaption></figure>
## 2. Classification des systèmes

On peut alors distinguer les systèmes automatisés suivants :

### Variables logiques - Systèmes automatisés à logique combinatoire

Pour un tel système les sorties dépendent exclusivement d'une combinaison des entrées, sans prendre en compte "l'histoire" du système. A un état d'entrées, correspond un et un seul état en sortie. Aucune mémoire des états précédents des entrées et des sorties n'est conservée. L'information logique est traitée de manière instantanée.

Les grandeurs y sont manipulées sous formes d'états binaires, ce qui justifie l'utilisation de l'algèbre de BOOLEAN, et des notions liées au codage de l'information.

### Exemple : afficheur sept segments

L'information, chiffre compris entre 0 et 9, est fournie par un nombre binaire sur 4 bits, soit pour notre afficheur quatre entrées ($E_0$, $E_1$, $E_2$ et $E_3$) et en sortie les segments seront allumés ou éteints. Pour chaque combinaison des quatre entrées, doit correspondre un et un seul état des sorties, correspondant à l'affichage correct de l'information.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Système d'affichage 7 segments</figcaption></figure>

Entrées

Sorties

### Variables logiques - Systèmes automatisés à logique séquentielle

Qualifié de système à mémoire généralisée, les sorties du système sont élaborées à partir d'un ensemble de signaux logiques, mais dépendent aussi de la chronologie des événements logiques. "L'histoire" du système est prise en compte.

En effet les états précédents des entrées et des sorties sont mémorisés, et influent sur l'évolution du système. A une combinaison d'entrées, peuvent correspondre plusieurs combinaisons des sorties.

### Exemple de système logique :

Le portail automatisé.

Pour simplifier, on s'intéresse aux éléments suivants :

* ✓ Les 2 portes

* ✓ Les 2 moteurs

* ✓ La télécommande

* ✓ La cellule photo électrique

Entrées/sorties de la Partie commande (PC) du portail : (les entrées sont les informations, les sorties sont les ordres)

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
<figure><img src="image_14.png" /></figure>

Les entrées et les sorties sont sous la forme tout ou rien (1 ou 0) (vrai ou faux), on les appelle des variables logiques.

## Variables analogiques ou numériques - Systèmes automatisés continus

Les signaux traités sont analogiques ou numériques, et leurs valeurs ne peuvent être prédéterminées. Les sorties (asservies ou non) sont des grandeurs continues pour un processus donné.

## Variables analogiques ou numériques - Systèmes automatisés continus

Les signaux traités sont analogiques ou numériques, et leurs valeurs ne peuvent être prédéterminées. Les sorties (asservies ou non) sont des grandeurs continues pour un processus donné.

**Systèmes automatisés asservis** : ils sont l'objet du cours qui suit, pour de tels systèmes une mesure de la sortie est réalisée en permanence et sa valeur comparée à l'entrée (sortie souhaitée) puis corrigée. Ces systèmes permettent d'obtenir toutes les caractéristiques nécessaires aujourd'hui dans beaucoup de systèmes pluri-techniques [Rapidité, Précision, Stabilité]. Les asservissements sont classés en deux familles : les systèmes **régulateurs** et les systèmes asservis **suiveurs**.

\# Systèmes **régulateurs** : la consigne d'entrée est fixe, ils sont destinés à assurer une sortie constante.

### Exemple : Régulation de température

\# Systèmes asservis **suiveurs** ou en poursuite d'une loi de référence : la consigne d'entrée varie constamment et l'objectif est d'ajuster en permanence la sortie au signal d'entrée.
La figure suivante illustre un procédé régulé par une boucle fermée. Dans ce cas l'association procédé et instruments constitue un système asservi, de ce fait la réponse à un échelon de consigne est généralement du type apériodique.

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

### I.2.1.4 INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES DE PRODUCTION

Ce chapitre permet de comprendre la structure d'un Système Automatisé de Production et de définir les différentes parties de ce système. Un système de production est dit _automatisé_ lorsqu'il peut gérer de manière autonome un cycle de travail préétabli qui se décompose en séquences et/ou en étapes.

Les systèmes automatisés, utilisés dans le secteur industriel, possèdent une structure de base identique. Ils sont constitués de plusieurs parties plus ou moins complexes reliées entre elles :

- la partie opérative (PO);

- la partie commande (PC) ou système de contrôle/commande (SCC);

- la partie relation (PR) de plus en plus intégrée dans la partie commande.

<figure><img src="image_16.png" /></figure>
I.2.1.5 DESCRIPTION DES PARTIES D'UN SYSTEME AUTOMATISE
SEQUENTIEL

1. LA PARTIE OPERATIVE

C'est la partie visible du système. Elle comporte les éléments du procédé, c'est à dire :

- des pré-actionneurs (distributeurs, contacteurs) qui reçoivent des ordres de la partie commande;

- des actionneurs (vérins, moteurs, vannes) qui ont pour rôle d'exécuter ces ordres. Ils transforment l'énergie pneumatique (air comprimé), hydraulique (huile sous pression) ou électrique en énergie mécanique;

- des capteurs qui informent la partie commande de l'exécution du travail. Par exemple, on va trouver des capteurs mécaniques, pneumatiques, électriques ou magnétiques montés sur les vérins. Le rôle des capteurs (ou détecteurs) est donc de contrôler, mesurer, surveiller et informer la PC sur l'évolution du système.

2. PARTIE COMMANDE

Ce secteur de l'automatisme gère selon une suite logique le déroulement ordonné des opérations à réaliser. Il reçoit des informations en provenance des capteurs de la Partie Opérative, et les restitue vers cette même Partie Opérative en direction des pré-actionneurs et actionneurs. L'outil de description de la partie commande s'appelle le GRAphe Fonctionnel de Commande Étape / Transition (GRAFCET).

3. PARTIE RELATION (OU IHM : INTERFACE HOMME MACHINE)

Sa complexité dépend de l'importance du système. Elle regroupe les différentes commandes nécessaires au bon fonctionnement du procédé, c'est à dire marche/arrêt,
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

En effet les états précédents des entrées et des sorties sont mémorisés, et influent sur l'évolution du système. A une combinaison d'entrées, peuvent correspondre plusieurs combinaisons des sorties.
I.2.1.6 EXEMPLES DE SYSTEMES DE PRODUCTION AUTOMATISE SEQUENTIEL

Exemple de SAP: chaîne de palettisation.

Acquérir les états du système

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Capteur de Position

Traiter les données

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

API

Communiquer

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

Terminaux de dialogue

Transformer l'énergie

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

Moteur, Vérin

Agir sur la matière d'œuvre

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

Ventouse, convoyeur

Distribuer l'énergie

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

Contacteur électrique
Distributeur pneumatique

3
Exemple : ligne de production industrielle de chocolats

Le système est une ligne de production industrielle de sujets creux en chocolat (petits et grands sujets, par exemple Père Noël, lapin, œufs, ...) Le processus d'injection (réalisé par la doseuse) fait l'objet d'une commande séquentielle.

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

I.2.2 INTRODUCTION A LA ROBOTIQUE

<figure><img src="image_25.png" /></figure>
<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Robot KR 1000 Titan (KUKA)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_27.png" /></figure>
<figure><img src="image_28.png" /></figure>

• Robotique de service :

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Robot pompiste</figcaption></figure>

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Robot laveur d'avion</figcaption></figure>

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Robot grimpeur</figcaption></figure>

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Robot de construction</figcaption></figure>
# 1. Définition et historique

- Étymologie : le mot tchèque robota (travail).

- Définition : un robot est un système mécanique poly-articulé mû par des actionneurs et commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de tâches.

- Historique :

- 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré.

- 1954 : premier robot programmable.

- 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors.

- 1961 : premier robot avec contrôle en effort.

- 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot.

## Classification des robots sériels

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Polaire</figcaption></figure>

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Anthropomorphique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Cylindrique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>SCARA</figcaption></figure>

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Cartésien</figcaption></figure>
### 3. Vocabulaire de la robotique

* Actionneur = moteur

* Axe = articulation

* Corps = segment

* Organe terminal

* Effecteur = outil

* Base

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

## I.2.3 INTRODUCTION AUX AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

### Historique

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

**Ambiance industrielle**

bruit électrique

poussière

température

humidité

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.
<figure><img src="image_41.png" /></figure>

# Cahier des charges de l'époque

- Solution pour un coût acceptable

- utilisable par le personnel en place

- programmation facile

- Supporter l'ambiance industrielle

- Adaptation aux nombreuses variétés E/S

- Simplicité de mise en œuvre

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

# Les API d'aujourd'hui

<figure><img src="image_43.png" /></figure>
<figure><img src="image_44.png" /></figure>

# Architecture interne

<figure><img src="image_45.png" /></figure>
# Essai de classification

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

# Essai de classification

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

<figure><img src="image_49.png" /></figure>
<figure><img src="image_50.png" /></figure>

## Architecture réseau

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

<figure><img src="image_52.png" /></figure>

## Aspect programmation

### FONCTIONS DES ATELIERS LOGICIEL

* gestion des projets

* configuration API

* édition, compilation

* Transfert console < API

* Mise au point dynamique

<figure><img src="image_53.png" /></figure>
<figure><img src="image_54.png" /></figure>

# Les langages IEC1131

## Function Block Diagram (FBD)

<figure><img src="image_55.png" /></figure>

## Ladder Diagram (LD)

<figure><img src="image_56.png" /></figure>

<figure><img src="image_57.png" /></figure>

# Les langages IEC1131

## Structured Text (ST)

VAR CONSTANT X : REAL := 53.8 ;
Z : REAL; END_VAR
VAR 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 *)
<figure><img src="image_58.png" /></figure>

# Les langages IEC1131

## Sequential Flow Chart (SFC)

<figure><img src="image_59.png" /></figure>

<figure><img src="image_60.png" /></figure>

## Comparaison des langages

<table><thead><tr><td>LANGAGE</td><td>AVANTAGES</td><td>INCONVENIENTS</td></tr></thead><tbody><tr><td>LD</td><td>facile à lire et à comprendre par la majorité des électriciens<br>langage de base de tout PLC</td><td>suppose une programmation bien structurée</td></tr><tr><td>FBD</td><td>Très visuel et facile à lire</td><td>Peut devenir très lourd lorsque les équations se compliquent</td></tr><tr><td>ST</td><td>Langage de haut niveau (langage pascal)<br>Pour faire de l'algorithmique</td><td>Pas toujours disponible dans les ateliers logiciels</td></tr><tr><td>IL</td><td>langage de base de tout PLC type assembleur</td><td>très lourd et difficile à suivre si le programme est complexe<br>Pas visuel.</td></tr><tr><td>SFC</td><td>Description du fonctionnement (séquentiel) de l'automatisme.<br>Gestion des modes de marches<br>Pas toujours accepté dans l'industrie...</td><td>Peu flexible</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_61.png" /></figure>

# Acquisition des entrées

Acquisition des entrées
E

écriture en mémoire
de l'état des
informations
présentes sur les
entrées (réalise une
image du monde
extérieur)

<figure><img src="image_62.png" /></figure>

<figure><img src="image_63.png" /></figure>

# Traitement

Traitement du programme
T

exécution du
programme
application, écrit
par l'utilisateur.

<figure><img src="image_64.png" /></figure>

<figure><img src="image_65.png" /></figure>
<figure><img src="image_66.png" /></figure>

## Mise a jour des sorties

<figure><img src="image_67.png" /></figure>

<figure><img src="image_68.png" /></figure>

écriture des bits ou des
mots de sorties
associés aux modules
TOR et métier selon
l'état défini par le
programme
application.

<figure><img src="image_69.png" /></figure>

## Tâche Automate

<figure><img src="image_70.png" /></figure>
<figure><img src="image_71.png" /></figure>

fonctionnement mono-tâche périodique
(synchrone)

<figure><img src="image_72.png" /></figure>

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.

<figure><img src="image_73.png" /></figure>

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 configuration

Dans le cas de débordement, l'application est déclarée en défaut, ce qui provoque l'arrêt immédiat de l'automate

<figure><img src="image_74.png" /></figure>
# I.3 INTRODUCTION AUX RÉSEAUX LOCAUX INDUSTRIELS

## 3.1. Généralités sur les réseaux locaux industriels (RLI)

Une définition simple d'un réseau industriel pourrait être : Réseau de communication numérique reliant entre eux différents types d'équipements d'automatisme.

Il est important de signaler que l'utilisation des RLI n'est pas limitée aux seules entreprises industrielles. On pourra retrouver des RLI dans des produits du commerce (comme dans des véhicules automobiles) ainsi que dans des immeubles automatisés (hôpitaux, sièges sociaux de grandes entreprises...)

Historiquement, le but initial de ces RLI était le remplacement, dans le cadre de certaines applications, des boucles de courant 4-20mA (voir figure 2.1).

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>EXEMPLE D'ARCHITECTURE D'AUTOMATIQUE UTILISANT UNE BOUCLE DE COMMANDE 4-20 mA</figcaption></figure>

**Figure 1.1 : exemple d'architecture basée sur les boucles de commande 4-20mA**

Cette architecture centralisée, apparue dans les années 60, pouvait se révéler coûteuse et complexe à déployer lorsque le nombre et les fonctionnalités des équipements reliés augmentaient. Le rajout d'un équipement obligeait une reprogrammation complète de celle-ci. Le coût et la complexité du câblage
point à point limitaient son extension et sa souplesse, surtout lorsque la
distance entre les équipements augmentait.

En 1970 apparurent les premiers liens réseaux entre les nœuds de commande/contrôle et les postes opérateurs (WDPF : Westinghouse Distributed Processing Family). Ces liens permettaient aux opérateurs de commander et de contrôler plusieurs architectures d'automatique à partir d'un seul terminal. Ces réseaux pouvaient ainsi permettre d'augmenter la productivité des opérateurs, mais ne permettaient pas de résoudre les problématiques précédemment citées liées à l'utilisation des boucles de commande.

L'émergence des Réseaux Locaux Industriels eut lieu dans les années 80.
Ces réseaux permirent d'améliorer l'évolutivité de certaines architectures
d'automatique (voir figure 2.2).

EXEMPLE D'ARCHITECTURE D'AUTOMATIQUE UTILISANT UN RESEAU LOCAL INDUSTRIEL

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>Figure 1.2 : exemple simplifié d'architecture basée sur un réseau local industriel</figcaption></figure>
La diminution du câblage et de sa complexité est sensible, chaque équipement est relié à l'interface analogique ⇔ RLI par un seul câble via lequel circule les différents types de trafic.

L'évolution des Réseaux Locaux Industriels permet aujourd'hui le rajout ou le retrait d'un équipement sans reprogrammation complète de l'architecture, chacun pouvant être traité comme un objet, présent ou non sur le réseau.

Depuis plusieurs années, la tendance est à une collaboration entre les RLI et les autres des entreprises. Cette coopération permet la mise à la disposition des utilisateurs de données d'exploitation, via par exemple un navigateur Web, pour augmenter leur productivité. Outre cette cohabitation entre les RLI et les réseaux « orientés bureautique », le besoin d'un RLI capable de supporter des équipements hétérogènes est aujourd'hui clairement exprimé.

Le terme de Réseaux Locaux Industriels (RLI) regroupe plus d'une cinquantaine de spécifications de réseaux différentes qu'il serait possible de classer en trois grandes familles, qui correspondent chacune à des besoins différents. Parmi les critères de classification, nous distinguerons les fonctions à réaliser, le type des données à transmettre et le type de contrainte temporelle.

## 3.2. La prépondérance du profil « temps-réel » dans les RLI

La notion de profil temps-réel est inhabituelle dans la plupart des réseaux (hors contexte multimédia), excepté dans les RLI. Les réseaux Ethernet – TCP/IP, par exemple, proposent (optionnellement) des mécanismes de contrôle de flux, de contrôle d'erreur... Mais pas de gestion du temps (et ce, malgré les nouveaux protocoles à gestion de priorité).

Le rôle d'un RLI est de faire communiquer entre eux divers équipements en fournissant des services contraints par le temps (réseaux et systèmes « temps-réel »).

Les systèmes temps-réel nécessitent, en plus du contrôle de la validité des informations, le contrôle de la validité de la date d'application de ces informations. Les applications temps-réel pourront être classées en trois catégories selon la criticité de cette contrainte [Blu00] :

- Les systèmes temps-réel à contrainte stricte : le non-respect d'un échéance ne peut pas être toléré ;

- Les systèmes temps-réel à contrainte relative : ils peuvent, par opposition, tolérer certains dépassements des échéances ;

- Les systèmes temps-réel à contrainte mixte : certaines contraintes seront fixes, d'autres relatives.
Prenons l'exemple du réseau d'entreprise schématisé ci-dessous (figure 2.3) :

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>**Figure 2.3 : exemple simplifié d'architecture réseau d'une entreprise industrielle.**</figcaption></figure>

## 3.3. Classification des différentes spécifications de RLI

### 3.3.1 La pyramide CIM

Les automaticiens ont défini un modèle d'architecture permettant l'intégration des RLI dans un réseau d'entreprise : la pyramide CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Cette pyramide (figure 2.4) nous permet de simplifier le classement des spécifications de RLI en déterminant quel est le type de rapport débit/temps dont l'application a besoin en fonction du type d'équipements mis en oeuvre.
<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>Figure 2.4 : La pyramide CIM (Computer Integrated Manufacturing).</figcaption></figure>

Cette pyramide nous permet de mieux comprendre quelles seront les contraintes des différents RLI, en fonction des différents types d'équipements d'automatisme qui doivent communiquer entre eux et donc de la nature des coopérations et des données échangées. Nous pourrons aussi en déduire les contraintes temporelles liées aux différents types de flux.

Elle nous permet aussi de mettre en évidence le manque d'homogénéité des RLI : Il n'existe pas, contrairement à ce qui existe dans les réseaux à vocation « bureautique », de spécification capable de rendre les services attendus par tous les niveaux de l'architecture. Les passerelles et les ponts qui permettront aux différents réseaux de communiquer entre eux devront être spécifiquement adaptés aux différentes spécifications retenues dans le cadre des applications industrielles de l'entreprise ou du « produit » concerné. Il en résultera des difficultés d'évolution des architectures (protocoles pouvant être incompatibles entre eux).

μ
### 3.3.2 Classification en terme de fonction à réaliser

Un moyen de déterminer la famille de spécifications de RLI qui est la mieux adaptée à son besoin est de définir quelle sera la fonction de ce réseau :

- doit-il relier entre eux des équipements simples tel que des capteurs et des actionneurs?

- doit-il relier entre eux des capteurs, des actionneurs, des nœuds de contrôle/commande, dans une architecture d'automatique complète ?

- doit-il permettre des relier entre elles plusieurs architectures d'automatique (cellules) dans le cadre d'une chaîne de fabrication industrielle?

#### CLASSIFICATION EN TERME DE FONCTION A REALISER

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>Figure 2.5 : Les trois grandes familles fonctionnelles de RLI.</figcaption></figure>

Les trois principales familles de fonctions à réaliser sont détaillées ci-dessus par la figure 2.5.
### 3.3.3 Classification selon des critères techniques

#### 3.3.3.1. Classification suivant des critères temporels

La vitesse de transmission des données, le temps de réponse, les temps de cycle sont autant de critères temporels d'un RLI qu'il est important d'étudier avant de le choisir. Les RLI qui fournissent, au niveau temporel, les meilleurs résultats sont les plus onéreux à mettre en œuvre : on évitera donc de prendre une grande marge de sécurité entre les contraintes temporelles liées au fonctionnement de l'architecture et les possibilités du RLI retenu. A l'inverse, l'utilisation d'un RLI qui n'est pas assez performant pour une application donnée aboutira à un mauvais fonctionnement de l'architecture.

#### 3.3.3.2. Classification suivant des critères topologiques

La distance maximale entre équipements et la longueur maximale du réseau (avec ou sans répéteurs) peuvent être des critères essentiels du choix de la spécification de RLI. Dans le cadre d'applications embarquées, ces critères seront peu importants (longueur totale et distance entre équipements faibles). Par contre dans une chaîne de production d'automobiles ou dans un bâtiment automatisé, ce sera certainement l'un des critères principaux du choix de la spécification.

Il existe d'autres critères topologiques : par exemple, la topologie du réseau (réseau en bus, en étoile, en anneau...) influera sur la difficulté du câblage physique de celui-ci ; Le nombre maximum de nœud que supporte un RLI peut aussi être un critère important suivant des considérations d'évolutivité.

#### 3.3.3.3. Classification suivant le modèle de coopération

Le « modèle de coopération » est l'ensemble des techniques qui régissent le fonctionnement des échanges entre les applications. Il ne s'agit pas d'architecture matériel : il ne faut pas, par exemple, confondre « le modèle de coopération client-serveur » avec le type de matériel utilisé (le « client » pourra physiquement être lancé sur une machine serveur et inversement un « serveur » pourra être hébergé sur un ordinateur portable ou une station bureautique).

On distinguera parmi les modèles existants les quatre principaux :

- Client/serveur

- Maître/esclave

- Producteur/consommateur

- Producteur/distributeur/consommateur
La plupart des applications orientées bureautique utilisent le modèle client/serveur. Dans ce modèle, une application qui souhaite recevoir des informations (le client) envoie des requêtes à une application qui offre le service nécessaire (le serveur).

La liaison de données au niveau des applications se fait point à point. Ce modèle est mal adapté aux contraintes des échanges « temps-réel » pour 3 raisons :

* La durée des échanges est imprévisible (à cause du passage par une file d'attente) ;

* Plusieurs clients qui devraient recevoir simultanément les mêmes informations obtiendraient des données de dates différentes (traitement des requêtes en séquence et liaison point à point) ;

* Certaines requêtes pourraient ne pas obtenir de réponse (débordement de la file d'attente).

Le modèle producteur/consommateur permet l'envoi simultané d'informations depuis un producteur à plusieurs consommateurs. L'émission par le producteur des données peut-être soit demandé par un consommateur (requête) soit effectuée directement par le producteur (utilisation d'une table de gestion des échanges).

Le producteur peut envoyer les informations requises à tous les nœuds du RLI (même ceux qui ne sont pas intéressés par ces données), nous parlerons alors de diffusion générale (broadcast).

Dans ce cas, les consommateurs de ces données se reconnaîtront et effectueront les opérations nécessaires. Les nœuds qui ne sont pas consommateurs détruiront les trames reçues.

Une autre technique utilisée consiste à créer des groupes d'abonnés pour chaque information qui sera produite. Seuls les nœuds consommateurs d'une d'information envoyée par le producteur la recevront, nous parlerons de diffusion restreinte ou multi-diffusion (multicast).

Ce modèle de coopération entre applications permet à plusieurs consommateurs qui auraient besoin de « consommer » simultanément une information puissent effectivement l'obtenir dans le même laps de temps. Seul la différence d'éloignement physique (longueur du canal de transmission) entre le producteur et les différents consommateurs créera une différence de « date » de réception.

Dans le cas où le producteur ne gère pas lui-même l'envoi des informations aux consommateurs il subsiste un risque de non respect de contraintes temporelles strictes. Risque lié à l'envoi par les consommateurs des requêtes d'obtention de données. Le protocole de contrôle d'accès au canal de transmission (qui sera associé à ce modèle de
coopération) devra être particulièrement performant pour limiter les retards liés, par exemple, aux collisions.

L'un des apports majeurs qu'offre le dernier modèle producteur/distributeur/consommateur est justement de rajouter un distributeur. Le rôle de celui-ci est de gérer l'ordonnancement des échanges entre les producteurs et les consommateurs. La gestion par un nœud unique de tous ces échanges d'information permettra de respecter des contraintes temporelles strictes, même si le protocole de gestion d'accès au canal de transmission qui est fourni par le réseau ne permet un contrôle suffisant (évitement des collisions) : Le distributeur gère naturellement tous les conflits entre producteurs, et il évite que des échanges qui ne sont pas soumis à une contrainte temporelle fixe viennent perturber ceux qui y sont soumis.
# I.4 INTRODUCTION AU SYSTEME D'INFORMATION INDUSTRIEL

## I.4.1 GENERALITES

L'outil industriel est un maillon essentiel qui s'insère dans la chaîne de valeur de l'entreprise. La recherche d'une optimisation globale impose que la gestion industrielle soit un maillon intégré dans le système d'information de l'entreprise. Le Système d'Information Industriel doit donc permettre de relier l'outil industriel aux solutions de gestion de l'entreprise. Il doit également fournir aux opérateurs, aux techniciens et aux managers toutes les informations nécessaires au pilotage global de l'activité.

<figure><img src="image_80.png" /></figure>
Dans cette perspective, le MESA propose aujourd'hui une représentation qui permet de positionner les 11 fonctions décrites il y a plusieurs années dans une représentation générale des opérations assumées par une entreprise.

Dans ce schéma, le Système d'Information Industriel apparaît dans une fonction générale de lien entre la fabrication et les activités opérationnelles généralement prises en charge dans un ERP mais aussi dans des solutions CRM, GMAO, Supply Chain Management etc. Outre le suivi de fabrication dont les données permettent de calculer les Prix de Revient Industriel, la visibilité sur les stocks permet à la logistique de disposer d'informations plus précises pour son organisation, etc.

La visibilité temps réel sur les activités de fabrication y est présentée comme un levier pour des « initiatives stratégiques » parmi lesquelles on retrouve la notion d'entreprise temps réel et la gestion du cycle de vie des produits.

Dans ce nouveau positionnement, le Système d'Information Industriel joue un rôle de générateur et de distributeur des données qui sont utilisées à tous les niveaux de l'entreprise pour réaliser la fabrication, les activités opérationnelles et déclencher des initiatives stratégiques.

<figure><img src="image_81.png" /></figure>
Les solutions informatiques proposées par le marché à l'attention des entreprises industrielles sont principalement les ERP et les solutions de supervision d'installations industrielles. Deux mondes qui doivent être connectés pour permettre l'exploitation de l'outil industriel dans la perspective d'une prise en charge globale des processus de l'entreprise sur sa chaîne de valeur. Ce sont les solutions de MES (Manufacturing Execution System) ou MOM (Manufacturing Operations Management), en lien étroit avec la supervision, qui assument ce niveau intermédiaire.

Les solutions attendues à ce niveau de gestion doivent être en mesure de soutenir l'expertise métier exercée dans les ateliers et permettre leur mise en relation avec la sphère logistique (gestion des commandes, des stocks, des approvisionnements, etc.). Leur conception doit répondre à plusieurs contraintes.

Les solutions déployées dans les sites industriels, supervision, SCADA, MES, outils d'ordonnancement, etc. forment le Système d'Information Industriel.

Par ailleurs, le progiciel proposé doit être paramétrable pour s'adapter aux spécificités de chaque site industriel et minimiser les développements spécifiques mais il doit également présenter un niveau de standardisation suffisant pour garantir un coût de possession (TCO – Total Cost of Ownership) et un retour sur investissement (ROI – Return On Investment) optimisés.

La notion de temps est une des difficultés liées à la mise en relation entre le monde de la gestion et le monde industriel. Même si les délais commerciaux sont courts, ils seront tout de même au minimum de plusieurs heures. Dans l'usine, le temps à prendre en compte est beaucoup plus court ! L'exploitation de l'outil industriel suppose une réactivité sans délai et les décisions, même en cas d'aléa, doivent pouvoir être prises dans des délais très courts. La solution logicielle doit donc être en mesure de prendre en charge les informations « en continu » et de propager en temps réel les événements qui nécessitent une intervention.
## I.4.2 Les objectifs du système d'information industriel MES

### Connecter les équipements

Les fabricants d'équipements industriels sont nombreux et le parc installé comprend généralement plusieurs générations d'équipements. Le Système d'Information Industriel doit donc permettre d'une part la connexion au parc existant sans le remettre en cause et d'autre part une connexion facile aux nouveaux équipements. Les éditeurs doivent donc proposer des connecteurs entre le Système d'Information Industriel et les équipements, ceux-ci doivent reposer sur des standards pour assurer la connexion quel que soit le constructeur des équipements installés dans les ateliers.

### Superviser les procédés de fabrication automatisés

La supervision des procédés de fabrication est, en partie, la déclinaison du point précédent pour les procédés automatisés. Elle permet de prendre en charge le pilotage des installations, la surveillance du bon fonctionnement et d'alerter en cas de dysfonctionnement. Son intégration étroite avec la gestion de l'exécution, via des processus, permet d'intégrer les procédés automatisés dans le processus global de production dans un ensemble cohérent, sans discontinuité. A ce titre, elle est une brique du Système d'Information Industriel.
## Rendre compte de l'exécution

Cette fonction est toujours proposée dans les solutions de gestion de la fabrication. Les solutions proposées sont à minima de simples écrans de la GPAO, redésignées pour assurer une ergonomie compatible avec l'environnement industriel. Dans le même esprit, des solutions proposent pour les industries pharmaceutiques la présentation sur écran de formulaires électroniques se substituant aux traditionnelles fiches papier.

Des solutions plus avancées permettent de prendre en compte l'ensemble des événements de fabrication, y compris les interventions connexes à la fabrication elle-même (maintenance, contrôles qualité, consommations d'énergie), y compris également les données issues de la supervision, comme une courbe de montée en température d'un four. Ces solutions enregistrent les données au fur et à mesure de l'exécution et les mettent en forme dans le format souhaité, sans intervention spécifique de saisie de données mais comme résultat des actions menées.

## Analyser pour optimiser la fabrication

Les données collectées tout au long de la fabrication permettent de constituer un compte rendu d'exécution mais sont également le support à l'analyse et au pilotage de l'activité.

La constitution d'indicateurs temps réel permet de suivre au fur et à mesure, sans décalage temporel, la performance de la fabrication. Des modules métier sont également proposés qui permettent d'exploiter les données disponibles selon des axes spécifiques comme la généalogie, la consommation d'énergie ou la validation de la conformité règlementaire.

Il sera également possible de construire des analyses croisées ou des analyses de causes qui ouvriront une réflexion sur des leviers d'amélioration.
### I.4.3 CONCLUSION

L'industrie est aujourd'hui globalisée et de nombreuses multinationales opèrent de par le monde.

La stratégie qui prévalait de choisir et de déployer des applications industrielles hétérogènes par équipement, par ligne ou par site n'est plus la stratégie la plus pertinente dans ce contexte et les offreurs proposent au marché des alternatives.

Ces nouvelles solutions permettent d'envisager le déploiement d'un Système d'Information Industriel global et homogène, étape par étape sur l'ensemble d'un parc industriel.

Pour réussir l'urbanisation du système d'information industriel, il est nécessaire de définir ou redéfinir une vision commune dans l'entreprise concernant les données métiers, les indicateurs de performances et les processus de fabrication et de gestion des exceptions. Ce travail préalable est en soi porteur d'amélioration dans l'entreprise mais la construction d'un Système d'Information Industriel sur ces bases permet d'élargir ces améliorations à de nombreux domaines.

En effet, la collecte et la distribution de données qui vont pouvoir être organisées grâce au Système d'Information Industriel permet en premier lieu une amélioration des performances de la fabrication elle-même. En effet, l'entreprise dispose alors d'une visibilité temps réel sur les opérations, autorisant une forte réactivité. Par ailleurs, l'analyse des données collectées permet d'identifier des gisements d'optimisation des processus pour améliorer la productivité et la qualité.

Mais un Système d'Information Industriel se conçoit comme une brique de liaison entre les opérations de production et les activités opérationnelles gérées par l'ERP. Les données de fabrication peuvent alors être propagées sur l'ensemble du Système d'Information de l'entreprise pour disposer par exemple de prix de revient industriels comparables entre les sites, d'information temps réel sur la situation des stocks pour répondre aux demandes clients, etc.
# CHAP.II AUTOMATIQUE ET AUTOMATISMES

## II.1. AUTOMATIQUE DES SYSTEMES LINEAIRES

### II.1.1 INTRODUCTION

Partout, l'homme rencontre dans sa vie plusieurs opérations qui sont trop répétitives et dénuées d'intérêt (exemple tri de courrier) ou trop complexes, pénibles ou délicates, qui ne peuvent pas être confiées à lui (exemple régulation de la fréquence du réseau électrique, radar et poursuite automatique). Pour ces raisons, il fallait substituer la machine à l'homme dans de telles opérations. Cette machine doit être conçue pour assurer des tâches avec une intervention minimale de l'homme ou même sans aucune intervention. On dit qu'on est devant un problème d'automatisation des systèmes. Automatiser un système, c'est le transformer en vu d'y réduire ou d'y supprimer toute intervention de l'être humain et toute influence indésirable de tout autre élément externe.

L'automatique est une science qui fournit la théorie et les méthodes pour concevoir et réaliser les commandes automatiques de systèmes ou procédés. Ainsi, un système automatique est capable de fonctionner d'une manière autonome.

### II.1.2 NOTIONS DE SYSTEME

#### 1. CARACTERISTIQUES DES SYSTEMES

Les systèmes automatiques sont caractérisés par leurs modes de fonctionnement (en boucle ouverte ou fermée) ainsi que la nature du commande (commande continue ou discrète).

* Les systèmes automatiques peuvent fonctionner selon l'une des deux configurations suivantes : en boucle ouverte ou en boucle fermée.

* **Les systèmes en boucle ouverte** : Ce sont des systèmes dont l'état de la sortie à un instant donnée t ne dépend que de la nature du système et de l'état de l'entrée. Le positionnement manuel d'une antenne de réception représente un exemple typique de système en boucle ouverte. Cependant, la position de l'antenne peut être modifiée à cause du vent. Dans ce cas, il faut la rétablir par l'intervention de l'opérateur.

* **Les systèmes en boucle fermée** : Ce sont des systèmes dont l'état de sortie à un instant donnée t dépend de la nature du système, de l'état d'entrée et des états antérieurs de la sortie. La poursuite automatique du radar représente un exemple qui fonctionne en boucle fermée. En effet, le radar poursuit la cible sans aucune intervention de l'opérateur. On parle dans ce cas d'un système régulé ou asservi.

Le comportement d'un système asservi est comparable à celui de l'être humain dans son travail.

* Un système commandé est un système qui possède une ou plusieurs variables de sortie commandées à partir d'un ensemble de variables d'action ou d'entrée. Selon le type de variables, on peut distinguer deux types de commande :

* **La commande continue** : si les variables sont continues dans le temps.

* **La commande discrète** : si les variables sont de type binaire, il s'agit alors d'automatismes logiques ou séquentiels.
## 2. DEMARCHE D'ANALYSE DES SYSTEMES LINEAIRES

On considère un système qui représente une installation de chauffage central d'une maison, chaque radiateur possède un robinet qui permet de modifier le débit d'eau chaude et par conséquent la température dans la pièce.

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Figure 1.1 : Radiateur de chauffage central</figcaption></figure>

Ce système physique est un système commandé qui possède une entrée, la commande $e(t)$ d'ouverture du robinet, une sortie qui représente la température $\theta(t)$ de la pièce. Notons F la fonction qui relie la sortie $s(t)$ à l'entrée $e(t)$ à chaque instant. Le système physique de la figure 1.1 se représente sous la forme du diagramme fonctionnel de la figure 1.2. Un tel système possède plusieurs propriétés :

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Figure 1.2 : Schéma fonctionnel d'un système linéaire</figcaption></figure>

* C'est un système *monovariable* : il ne possède qu'une seule entrée et une seule sortie.

* C'est un système *continu* : la fonction F est une fonction continue du temps.

* C'est un système *linéaire* : la fonction F est linéaire. Ainsi, pour toute entrée $e_1(t)$ et $e_2(t)$, $\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{R} : F(\lambda_1 e_1(t) + \lambda_2 e_2(t)) = \lambda_1 F(e_1(t)) + \lambda_2 F(e_2(t))$ (1.1)

* C'est un système *stationnaire* ou *temporellement invariant* : à chaque fois qu'on applique un signal $e(t)$ à l'entrée, on obtient la même sortie $s(t)$ ; (F est une fonction indépendante du temps).

L'approche d'un système qui consiste à l'isoler et à en identifier les entrées et les sorties est typique de la démarche de l'automaticien. Son but est de déterminer le signal de commande optimal à appliquer au système qui permet d'atteindre des objectifs fixés pour la sortie. Pour cela, il est nécessaire de connaître le comportement du système. Plusieurs démarches sont possibles. L'automaticien peut détailler le comportement interne du système en traduisant sous forme d'équations les différents phénomènes physiques mis en jeu. Il peut aussi se contenter de soumettre le système à un signal d'entrée connu et analyser sa sortie. Quelle que soit la démarche utilisée, il obtiendra un modèle mathématique qui lui permettra de prévoir l'évolution du système soumis à une entrée quelconque.
L'exemple de la figure 1.1 montre un système non linéaire puisque l'entrée x ne peut pas prendre de valeurs négatives. Néanmoins, nous considérerons que ce système est linéaire dans son domaine de fonctionnement normal. De plus, ce système n'est pas stationnaire puisque la température dans la pièce est influencée par d'autres facteurs que l'ouverture du robinet, par exemple, la température de l'eau, le rayonnement du soleil, la température extérieur... Ces différents facteurs correspondent à des perturbations qui vont influencer notre système et entraîner une valeur de la sortie différente de celle prévue. C'est une caractéristique générale des systèmes commandés que d'être sensibles aux perturbations.

**Remarque** : on considère le système représenté par la figure 1.3.

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>**Figure 1.3** : Schéma fonctionnel d'un système linéaire soumis à une perturbation</figcaption></figure>

Ce système est considéré comme monovariable, c'est-à-dire une seule variable d'entrée peut être manipulée (e(t) ou p(t)) et une seule variable est observée ou mesurée, c'est la variable de sortie s(t).

La modélisation mathématique s'exprime sous forme d'une relation entre l'évolution temporelle de la sortie s(t) en fonction de celle de l'entrée e(t) ou de celle d'une perturbation p(t). L'hypothèse de linéarité permet de lever toute difficulté éventuelle. En effet, la sortie s(t) est la somme des réponses à e(t) d'une part et p(t) d'autre part. On peut donc traiter séparément la réponse à chacune des entrées. Le système est alors monovariable, soit avec l'entrée e(t), soit avec l'entrée p(t). Si besoin, on fait la somme des réponses.

## II.1.3 NOTIONS D'ASSERVISSEMENTS LINEAIRES ANALOGIQUES

Dans de nombreux processus industriels, il est indispensable de maîtriser un certain nombre de grandeurs physiques de type:

* Courant ou tension d'une source.

* Vitesse de rotation d'un moteur.

* Température d'un four.

<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>**Figure 1.4** : Système commandé</figcaption></figure>
<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>Figure 1.4 : Système commandé</figcaption></figure>

Les paramètres d'un système de commande sont composés par :

* Ordre : C'est la consigne qui traduit un but fixé. Par exemple, on peut se décider de fixer la température d'une pièce à 37 °c ou fixer une trajectoire d'un avion.

* **Action de commande** : Action susceptible de changer l'état du système à commander. Elle est élaborée en fonction des ordres.

* **Perturbations** : Variable aléatoire dont on ne connaît pas l'origine.

* **Sortie** : Variable à contrôler.

### II.1.4. Schéma fonctionnel général d'un système d'asservissement

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>Figure 1.9 : Schéma fonctionnel général d'un système asservi</figcaption></figure>

Ce système est constitué par les éléments de base suivants :

* **Régulateur** : C'est l'organe intelligent qui élabore l'ordre de commande

* **Actionneur** : C'est l'élément qui apporte la puissance nécessaire pour la réalisation de la tâche.

* **Procédé à commander** : Appelé aussi le système dynamique, il représente la partie qui évolue selon l'actionneur suivant les lois physiques qui lui sont propres.

* **Capteur** : C'est l'élément qui délivre une grandeur physique caractérisant l'observation. On cite à titre d'exemple le capteur de température PT100.

Dans le cas où la consigne est constante, on parle de régulation (exemple : régulation de température).
## II.1.5 Asservissement et régulation

Deux situations peuvent se présenter dans la pratique :

A/ Cas où la consigne est **constante** et le système doit compenser l'effet des perturbations : on parle alors de **régulation** exemples :

* Régulation de niveau d'eau dans un réservoir.

* Régulation de température d'un four.

* Régulation de vitesse d'un moteur.

B/ Cas où la consigne **évolue** avec le temps, on parle alors de **poursuite** ou d'asservissement. Le système est dit **suiveur**.

*Exemples :* une machine outil qui doit usiner une pièce selon un profil donné, un missile qui poursuit une cible, Asservissement de position, asservissement de vitesse, Asservissement de débit, etc.

Pour évaluer les objectifs cités, on procède en pratique à la mesure d'indices dits de performances : il s'agit de la stabilité, de la précision et de la rapidité. Nous découvrirons dans la suite le sens et l'importance de ces indices.

## I.1.6 Propriétés et performance d'un système asservi

### Stabilité

On dit qu'un système est stable su pour une entrée, la sortie reste constante quelle que soient les perturbations.

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>**Figure 1.10 :** Réponse d'un système asservi</figcaption></figure>
* Les courbes 1 à 6 représentent la réponse d'un système.

* Les courbes de 2 à 6 sont caractéristiques de la réponse d'un système stable, pour une entrée constante, la sortie évolue vers une sortie constante.

* La courbe 1 est caractéristique d'un système instable, la sortie diverge.

* On s'aperçoit en comparant les réponses 2 à 6 que le critère de stabilité n'est pas un critère judicieux de réglage d'un système asservi. En effet, est-il envisageable qu'un système atteigne sa position définitive après un grand nombre d'oscillation ?

## Dépassement

Un critère important de la stabilité est le dépassement. Ce critère permet de définir la notion de stabilité relative.

Le dépassement est mesuré par le taux de dépassement. On définit le premier dépassement par :

$$D_1 \% = \frac{S(t_1) - S_{\infty}}{S_{\infty}} = \frac{\Delta_1}{S_{\infty}}$$

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>Figure 1.11 : Dépassement dans un système asservi</figcaption></figure>
Avec :

* $S_\infty$ : La valeur finale de la sortie.

* $S(t_1)$ : La valeur de la sortie à l'instant du premier dépassement.

* On définit de même le deuxième dépassement.

### Rapidité

Un Système a une rapidité satisfaisante s'il se stabilise à son niveau constant en temps jugé satisfaisant.

La rapidité caractérise le temps mis par le système pour que la sortie atteigne se nouvelle valeur. On définit pour caractériser la rapidité, le temps de réponse à 5% ($t_{r,5\%}$), c'est le temps mis par le système pour atteindre sa valeur finale à 5% près.

### Précision

La précision est caractérisée par l'écart entre la consigne et la sortie.

#### Précision statique

On appelle précision statique, l'écart entre la sortie et l'entrée lorsque le système est stabilisé.

## II.1.7 INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES NUMERIQUES
(ASSERVISSEMENTS NUMERIQUES OU COMMANDE NUMERIQUE DES
SYSTEMES)

### II.1.7.1 GENERALITES

Ce cours s'intitule “Commande Numérique des Procédés” car l’objet principal concerne l’utilisation de calculateurs numériques utilisés en temps réel pour commander, piloter, guider… des procédés physiques qui par essence sont le plus souvent à temps continu. La problématique est alors de représenter les interactions entre des signaux physiques modélisés par des fonctions avec des signaux assimilables par des calculateurs numériques qui se présentent sous forme de suites.
Depuis l'apparition et le développement des systèmes informatiques (micro-processeurs, micro-ordinateurs, micro-contrôleurs), leur utilisation en commande et régulation des systèmes industriels ne cesse de s'accroître.

Ce développement résulte essentiellement de la souplesse de réalisation des régulateurs numériques : la mise au point et le réglage consistent essentiellement à déterminer les coefficients d'une équation dite équation récurrente, qui constitue le cœur d'un programme de calcul exécuté en boucle par un processeur. Le coût de développement et de maintenance d'un tel régulateur est donc nettement plus avantageux que la réalisation de cartes analogiques spécifiques, nécessaires à la réalisation de régulateurs analogiques.

Cependant, le traitement numérique présente quelques différences importantes par rapport au traitement analogique:

* les valeurs des grandeurs physiques constituant les signaux analogiques doivent être représentées par des nombres;

* les opérations numériques réalisées par le processeur ne se font pas instantanément: il faut donc introduire la prise en compte de la durée du calcul.

En fait, vu d'un calculateur numérique, le temps ne peut pas s'écouler de façon continue tel qu'on le perçoit dans le monde physique. Le temps se définit sur un ensemble discret (ensemble dénombrable, isomorphe à l'ensemble des entiers) d'instants : les instants d'échantillonnage, séparés par un intervalle de temps régulier : la période d'échantillonnage.

Il est donc nécessaire de définir des outils mathématiques nouveaux, adaptés au temps discret, pour représenter ces signaux et systèmes échantillonnés, puis d'adapter les outils et méthodes de l'automatique analogique (à temps continu) à la conception de régulateurs numériques.

### II.1.7.2 MISE EN ŒUVRE DES ASSERVISSEMENTS NUMERIQUES

Sans entrer dans les détails du fonctionnement des différents éléments, la commande par calculateur, ou processeur, d'un procédé nécessite la mise en œuvre d'un certain nombre d'éléments (figure 1.1):

- un actionneur, ou organe de commande qui reçoit les ordres du processeur à travers un convertisseur numérique-analogique,

- un capteur, ou organe de mesure qui transmet au processeur les informations recueillies sur le procédé, à travers un convertisseur analogique-numérique.
Le schéma général d'un asservissement analogique est représenté en figure 1.11, sa transposition en commande numérique est représentée en figure 1.12.

<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>FIG. 1.11 – Système asservi linéaire continu.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>FIG. 1.12 – Système asservi linéaire échantillonné. (Ne cherchez pas les boites CAN et CNA sous simulink, elles n'existent pas! CAN est intrinsèque en passant de continu à échantillonné, CNA s'appelle en fait ZOH pour "Zero Order Hold".)</figcaption></figure>

Les avantages de l'asservissement numérique sont nombreux, en voici quelques uns.

* Réalisation aisée de régulateurs complexes, lois de commande raffinées.

* Facilité de mise en oeuvre de commandes anticipatrices (compensation par rapport à la consigne ou à certaines perturbations).

* Mise en oeuvre d'algorithmes de régulation sans équivalent analogique.

* Insensibilité de la caractéristique entrée-sortie du régulateur aux parasites, aux variations de température, au vieillissement, etc.

* Pas de dispersion des paramètres du régulateur en cas de fabrication en série.

* Prise en compte de défauts, des limites et comportements particuliers du système à régler (non linéarités, saturations) par simple programmation.

* Linéarisation autour d'un point de fonctionnement ajustable.

* Générateur de trajectoires intégré.

* Changement de correcteur souple et rapide.

* Interface utilisateur conviviale.

* Plusieurs systèmes corrigés par un seul microprocesseur.
Il y a aussi quelques inconvénients qu'il convient de connaître pour mieux les contourner. Notamment l'observation discontinue de la grandeur réglée, le système est en boucle ouverte entre deux instants d'échantillonnage. Sans précautions particulières, le bouclage numérique insère des non linéarités dans la boucle de régulation dues :

* à la quantification des convertisseurs,

* à la précision de calcul finie du microprocesseur,

* au procédé d'échantillonnage (recouvrement spectral).

Ces non linéarités peuvent avoir un effet déstabilisant (cycles limites) et introduisent des bruits supplémentaires, voire des battements. Un autre phénomène important est l'insertion de retards purs dans la boucle de régulation dus au temps de conversion analogique-numérique (A/N) et numérique-analogique (N/A) et au temps d'exécution de l'algorithme de régulation, or les retards purs sont très déstabilisants.

## II.1.7.3 NUMERISATION DES SIGNAUX ANALOGIQUES

### 1. ECHANTILLONNAGE ET QUANTIFICATION

La figure 1.21 montre la différence fondamentale entre le signal analogique et le signal échantillonné et quantifié que le microcontrôleur "perçoit". Ce signal est en fait une suite de nombres codés sur $n$ bits (typiquement 8 à 16 bits)

<figure><img src="image_92.png" /><figcaption>FIG. 1.21 – Echantillonnage et quantification d'un signal.</figcaption></figure>

En observant le signal échantillonné et quantifié (en bas à droite de la figure 1.21), la tentation est grande de vouloir s'approcher du signal analogique en essayant de faire du "quasi-continu" par un surdimensionnement des deux paramètres principaux que sont la fréquence d'échantillonnage et le pas de quantification. Les deux parties suivantes, je l'espère, vous en dissuaderont.

### 2. BRUIT DE QUANTIFICATION

Pour un signal sinusoidal d'amplitude égale à la dynamique du convertisseur, le rapport signal à bruit $SNR^3$ est de :

$$SNR = 6n - 4,76$$

où $n$ est le nombre de bits du convertisseur

En pratique on choisit $n$ tel que le rapport signal à bruit de l'ensemble ne soit pas trop diminué par la quantification. Il existe des convertisseurs de : 8, 10, 12, 16, 24, 40 bits. Il existe aussi des convertisseurs ayant une caractéristique logarithmique.
## 3. PROBLEME D'ECHANTILLONNAGE

<figure><img src="image_93.png" /><figcaption>FIG. 1.22 – Bruit de quantification d'un signal.</figcaption></figure>

La figure 1.23 montre un même signal échantillonné à plusieurs fréquences, lorsque la période d'échantillonnage $T_e$ est égale à la moitié de la fréquence du signal, on voit qu'il devient impossible de reconstituer le signal original.

En augmentant encore la période d'échantillonnage on tombe sur des aberrations comme illustré en figure 1.24.

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>FIG. 1.24 – Signal ostensiblement sous-échantillonné.</figcaption></figure>
II.1.7.4 TECHNOLOGIE DES ASSERSSIMENTS NUMERIQUES

Le choix du support matériel d'un asservissement numérique est évidemment fonction de l'objet contrôlé. La gamme de supports est vaste, pour fixer les idées voici trois systèmes complets.

Dans le cas de systèmes très complexes, nécessitant plusieurs asservissements simultanés, des interfaces utilisateurs conviviales, le choix se porte sur des calculateurs industriels qui se présentent sous la forme d'un rack dans lequel on insère des cartes à microprocesseur et des cartes d'entrées sorties. La puissance de calcul n'est pas limitée.

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>FIG. 1.13 – Kit de développement sur Bus VME.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>FIG. 1.14 – Carte d'acquisition haute densité. 96 voies analogiques 12 bits 3 Méch./s.</figcaption></figure>

La programmation de ces systèmes fait appel à un système d'exploitation multitâche temps réel.

A l'inverse, pour des systèmes simples, un microcontrôleur<fnref n="1" /> suffit. La programmation se fait alors en C ou en Assembleur, les microcontrôleurs plus puissants acceptent sans problème un OS temps réel.

<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>FIG. 1.15 – Microcontrôleur PIC.</figcaption></figure>

Entre les deux, il existe des cartes de puissance intermédiaire telle que la SSV DIL/NetPC DNP/5280. Celle-ci possède 8Mo de ROM et 16 Mo de RAM (à comparer aux 8192 mots de ROM et 368 octets de RAM d'un PIC

<footnote n="1">¹Microcontrôleur = sur la même puce microprocesseur+ périphériques : horloges, entrées sorties binaires et analogiques, liaisons numériques, ...</footnote>
16F877) ainsi que pratiquement tous les bus classiques (I2C, SPI, CAN et une interface Ethernet)

<figure><img src="image_98.png" /><figcaption>FIG. 1.16 – Carte microcontrôleur SSV DIL/NetPC DNP/5280.</figcaption></figure>

Enfin, il existe les DSP : Digital Signal Processing, dédiés au calcul rapide et flottant, plutôt utilisés dans des applications nécessitant du traitement du signal conséquent.

Et pour finir, sachez que les PID industriels soit disant analogiques cachent un microcontrôleur, cette technologie permettant de réaliser des constantes de temps impossibles à réaliser en analogique. Mais aussi, de gérer des alarmes, des saturations, des modes de défaut, etc.

<figure><img src="image_99.png" /><figcaption>FIG. 1.17 – Régulateur "analogique" de type PID.</figcaption></figure>

## II.1.8 MODELISATION DES SYSTEMES LINEAIRES ANALOGIQUES

On distingue trois phases dans la modélisation :

1. Isoler le système étudié en positionnant la frontière et en recensant les entrées sorties.

2. Effectuer une décomposition en sous-systèmes plus facilement exploitable.

3. Établir un modèle de connaissance ou de comportement pour chaque sous-système.

Un modèle de connaissance est un modèle obtenu à partir de lois physiques. Cette modélisation est analytique et possède un sens physique fort.

Un modèle de comportement est un modèle dans lequel le sous-système est remplacé par une boîte noire. Le comportement réel est identifié au mieux à partir de résultats expérimentaux.
La relation de comportement d'un système linéaire peut se mettre sous la forme d'une équation différentielle linéaire à coefficients constants.

Modélisation des systèmes linéaires continus invariants

Représentation par
schémas blocs

Un système sera
représenté par un schéma
bloc ou (schéma bloc
fonctionnel), dans lequel on
pourra distinguer :

Les blocs :

Chaque sous-système est
représenté par une boîte
noire (bloc fonctionnel).

Chaque bloc fonctionnel

possède une seule entrée et une seule sortie (système monovariable).

<figure><img src="image_100.png" /></figure>

A chaque bloc fonctionnel correspond une équation différentielle linéaire à coefficients constants :

$$
a_n \frac{d^{(n)} s(t)}{dt^n} + \dots + a_1 \frac{d s(t)}{dt} + a_0 s(t) = b_m \frac{d^{(m)} e(t)}{dt^m} + \dots + b_1 \frac{d e(t)}{dt} + b_0 e(t)
$$

encore appelée **forme canonique de la fonction de transfert** :

$$
H(p) = \frac{S(p)}{E(p)} = \frac{K \ (1 + b'_{1} p + \dots)}{p^{\alpha} (1 + a'_{1} p + \dots)}
$$

On définit :

Les pôles : les racines du dénominateur

Les zéros : les racines du numérateur

α classe du système : si α≠0 alors p=0 est un pôle du dénominateur. On dit que le système comporte α intégrateurs.

K gain

Opérations sur les schémas blocs

Transmittances en série

<figure><img src="image_101.png" /></figure>

Structure en boucle fermée

<figure><img src="image_102.png" /></figure>

Fonction de transfert en boucle fermée

$$
FTBF(p) = \frac{S(p)}{E(p)} = \frac{F(p)}{1 + G(p) \times F(p)}
$$
Afin de déterminer les fonctions de transferts en chaîne directe et en boucle ouverte, la boucle de retour est coupé.

Fonction de transfert en boucle ouverte :

$$FTBO(p) = \frac{M(p)}{\varepsilon(p)} = F(p) \times G(p)$$

**Cas des systèmes avec perturbation :**

Il faut alors réaliser une étude en poursuite (système suiveur) et une étude en régulation ( système régulateur). Il y a deux fonctions de transfert à calculer

## II.1.9 ANALYSE DES SYSTEMES LINEAIRES ANALOGIQUES

### TRANSFORMEE DE LAPLACE.

**Utilisation des transformées de Laplace :**

La transformée de Laplace permet de :

* Transformer une équation différentielle linéaire en une équation algébrique plus facilement exploitable.

* De revenir dans le domaine temporel par la transformée de Laplace inverse (cas simple)

* De donner les caractéristiques principales du système en termes de performances san calculer la réponse temporelle (cas + complexes)

<figure><img src="image_103.png" /></figure>

**Définition**

$$F(p) = \mathcal{L}(f(t)) = \int_{0}^{+\infty} e^{-pt} \cdot f(t) dt$$

*p est un nombre complexe*
La transformée de Laplace inverse sera notée : $f(t) = \mathcal{L}^{-1}(F(p))$

## PROPRIÉTÉS

### Dérivation

Ce théorème très important pour le traitement, par la transformée de Laplace, des systèmes linéaires continus permet la linéarisation des équations différentielles. La transformée de Laplace de $\dot{f}(t)$ vaut :

$$ \boxed{L(\dot{f}(t)) = p.F(p) - f(0)} \quad \text{avec } f(0) = \lim_{t \to 0^+} f(t) $$

Si toutes les conditions initiales sont nulles (on parle de fonction causale) : $f(0)= f'(0) = \dots = f^{(n-1)}(0)= 0$, l'expression précédente se réduit à :

$$ \mathcal{L}(f^{(n)}(t)) = p^n \cdot F(p) $$

### intégration

$$ \mathcal{L}\left(\int_{0}^{t} f(\tau) \cdot d\tau\right) = \frac{F(p)}{p} $$

valable uniquement pour une intégration de 0 à t

### Théorème de la valeur initiale et finale

Lorsque vous désirez obtenir des informations sur la fonction originale $f(t)$ (au voisinage de $t = 0$ et $t = \text{infini}$) sans calculer la transformée de Laplace inverse de $F(p)$, vous pouvez utiliser les théorèmes suivants :

$$ \boxed{\lim_{t \to 0} f(t) = \lim_{p \to +\infty} p \cdot F(p)} \quad \text{et} \quad \boxed{\lim_{t \to +\infty} f(t) = \lim_{p \to 0} p \cdot F(p)} $$

Théorèmes valables dans la mesure où la limite existe

### Retard

$$ \forall \tau \in \mathbb{R} \quad \mathcal{L}((f(t-\tau)) = e^{-\rho \cdot \tau} \cdot F(p) $$

## TRANSFORMEE DE LAPLACE INVERSE

Cette opération consiste à rechercher la fonction temporelle qui correspond à une expression $F(p)$ donnée. Pour cela, il faut décomposer la fonction $F(p)$ en éléments simples (éléments pour lesquels on connaît les transformées de Laplace inverses).

Il faut donc identifier les pôles de $F(p)$, factoriser la fonction, puis déterminer les différentes constantes relatives à chaque élément simple :

$$ F(p) = \frac{N(p)}{D(p)} = A_0 + \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{m} \frac{A_{ij}}{(p + \alpha_i)^j} + \sum_{k=1}^{o} \sum_{l=1}^{p} \frac{(A_{kl} \cdot p + B_{kl})}{((p + \beta_k)^2 + \omega_k^2)} $$

En Si, le but est de déterminer les réponses temporelles $s(t)$ de système à partir de la connaissance de sa fonction de transfert $H(p)$.

<figure><img src="image_104.png" /></figure>

**Ainsi, le calcul algébrique est toujours effectué sur la fonction $S(p) = H(p) \cdot E(p)$**

$E(p)$ est dépendant du type de réponse que l'on souhaite déterminée.

Pour une **réponse impulsionnelle** l'entrée $E(p)$ est une impulsion (Dirac) donc $E(p)=1$

Pour une **réponse indicielle**, l'entrée $E(p)$ est un échelon unitaire donc $E(p)=1/p$
La fraction rationnelle associée à S(p) étant décomposée en éléments simples, il s'agit d'utiliser le tableau des transformées usuelles.

Exemple : cas de racine complexe

$$S(p) = \frac{1}{p+1} - \frac{p-2}{p^2 + p + 1}$$

Il faut faire apparaître les formes du cosinus et sinus amorti :

$$S(p) = \frac{1}{p+1} - \frac{p-2}{p^2 + p + 1} = \frac{1}{p+1} - \left[ \frac{p-2}{\left(p+\frac{1}{2}\right)^2 + \frac{3}{4}} \right]$$

$$S(p) = \frac{1}{p+1} - \left[ \frac{p+1/2}{\left(p+1/2\right)^2 + \frac{3}{4}} - \frac{5/2}{\left(p+1/2\right)^2 + \frac{3}{4}} \right]$$

$$S(p) = \frac{1}{p+1} - \left[ \frac{p+1/2}{\left(p+1/2\right)^2 + \frac{3}{4}} - \frac{5}{\sqrt{3}} \cdot \frac{\sqrt{3}/2}{\left(p+1/2\right)^2 + \frac{3}{4}} \right]$$

$$s(t) = (e^{-t} - e^{-t/2}[\cos(\frac{\sqrt{3}}{2}t) - \frac{5}{\sqrt{3}} \cdot \sin(\frac{\sqrt{3}}{2}t)]).u(t)$$

<table><tr><td>Cosinus amorti</td><td></td><td>e<sup>-at</sup> cos(ωt)U(t)</td><td>(p + a) / (p + a)<sup>2</sup> + ω<sup>2</sup></td><td>-a ± j.ω</td></tr><tr><td>Sinus amorti</td><td></td><td>e<sup>-at</sup> sin(ωt)U(t)</td><td>ω / (p + a)<sup>2</sup> + ω<sup>2</sup></td><td>-a ± j.ω</td></tr></table>

## REPONSE TEMPORELLE DES SYSTEMES DU PREMIER ET DU SECOND ORDRE.

### Système du 1er ordre

#### Définition

Un système du premier ordre est un système où la relation entre l'entrée et la sortie peut se mettre sous la forme d'une équation différentielle du premier ordre :

$$s(t) + \tau \cdot \dot{s}(t) = K \cdot e(t)$$

K est le gain statique, τ est la constante de temps du système.

$$\text{La fonction de transfert de ce système est donc : } \quad H(p) = \frac{S(p)}{E(p)} = \frac{K}{1 + \tau \cdot p}$$

#### Réponses temporelles aux signaux tests

$$\text{Réponse indicielle : } e(t) = e_0 u(t)$$
**Réponse temporelle :**

La transformée de LAPLACE de $e(t)$ est égale à $E(p) = \frac{e_0}{p}$.

La sortie du processus est donc égale à :

$$S(p) = \frac{Ke_0}{p(1 + \tau p)}.$$

En décomposant en éléments simples, on obtient :

$$S(p) = Ke_0 \left( \frac{1}{p} - \frac{1}{\left( \frac{1}{\tau} + p \right)} \right)$$

En déterminant la fonction originale de $S(p)$, on en déduit la réponse indicielle d'un système du premier ordre : $$s(t) = K \cdot e_0 \cdot \left(1 - e^{-t/\tau}\right) \cdot u(t)$$

**Propriétés remarquables :**

* La valeur à convergence vaut : $\lim_{t \to \infty} s(t) = Ke_0$

* Le temps de réponse à 5% est obtenu pour un temps $t = 3\tau$ : $s(3\tau) = 0,95 \cdot K \cdot e_0$

* Pour le temps $t = \tau$, on obtient : $s(\tau) = 0,63 \cdot K \cdot e_0$

* La pente à l'origine vaut $\frac{Ke_0}{\tau}$

**Système du 2<sup>nd</sup> ordre**

**Définition**

L'équation différentielle d'un second ordre est de la forme :

$$\ddot{s}(t) + 2 \cdot \xi \cdot \omega_0 \cdot \dot{s}(t) + \omega_0^2 \cdot s(t) = K \cdot \omega_0^2 \cdot e(t)$$

K : gain statique, $\xi$ : coefficient d'amortissement, $\omega_0$ : pulsation propre non amortie du système.

La fonction de transfert s'écrit donc : $$H(p) = \frac{K}{1 + \frac{2 \cdot \xi \cdot p}{\omega_0} + \frac{p^2}{\omega_0^2}}$$

Pour déterminer la sortie d'un système du second ordre, il faut distinguer trois cas en fonction de la nature des pôles de $H(p)$ ($\Delta = \frac{4}{\omega_0^2}(\zeta^2 - 1)$). $H(p)$ possède :

deux pôles complexes conjugués ($\zeta<1$), on dira que l'on est en régime pseudopériodique. deux pôles réels distincts ($\zeta>1$), on dira alors que l'on est en régime apériodique, un pôle double ($\zeta=1$), on dira que l'on est en régime apériodique critique,

$$\text{Réponse indicielle : } e(t) = e_0 u(t)$$

**Régime pseudopériodique ($0 < \xi < 1$)**

$$s(t) = K e_0 \left[ 1 - e^{-\omega_0 0 \xi t} \left( \cos(\sqrt{1-\xi^2} \omega_0 t) + \frac{\xi}{\sqrt{1-\xi^2}} \sin(\sqrt{1-\xi^2} \omega_0 t) \right) \right] u(t)$$
<figure><img src="image_105.png" /></figure>

<figure><img src="image_106.png" /></figure>
<figure><img src="image_107.png" /></figure>

**Propriétés remarquables :**

La tangente à l'origine est horizontale. La valeur à convergence permet d'identifier le gain statique K. Le dépassement D₁ permet d'identifier le coefficient d'amortissement ζ tandis que temps de dépassement t₁ permet d'identifier la pulsation non amortie ω₀.

<table><tr><td>Temps du k<sup>ème</sup> dépassement</td><td>t<sub>k</sub> = <div style="display: inline-block; vertical-align: middle; text-align: center;"><div style="border-bottom: 1px solid black; padding-bottom: 1px;">k.π</div><div>ω<sub>0</sub>√(1-ζ<sup>2</sup>)</div></div></td></tr><tr><td>Amplitude du k<sup>ème</sup> dépassement</td><td>D<sub>k</sub> = K.e<sub>0</sub>.exp(<div style="display: inline-block; vertical-align: middle; text-align: center;"><div style="border-bottom: 1px solid black; padding-bottom: 1px;">-kπζ</div><div>√(1-ζ<sup>2</sup>)</div></div>)</td></tr><tr><td>Pseudo pulsation</td><td>ω<sub>p</sub> = ω<sub>0</sub>√(1-ζ<sup>2</sup>)</td></tr><tr><td>Pseudo période</td><td>T = <div style="display: inline-block; vertical-align: middle; text-align: center;"><div style="border-bottom: 1px solid black; padding-bottom: 1px;">2π</div><div>ω<sub>p</sub></div></div> = <div style="display: inline-block; vertical-align: middle; text-align: center;"><div style="border-bottom: 1px solid black; padding-bottom: 1px;">2π</div><div>ω<sub>0</sub>√(1-ζ<sup>2</sup>)</div></div></td></tr></table>

**Régime apériodique critique (ξ =1)**

<figure><img src="image_108.png" /></figure>

$$s(t) = K.e_0 \{1 - (1 + \omega_0.t)e^{-\omega_0.t}\} \cdot u(t)$$

Propriétés :

Pente à l'origine nulle,
aucun dépassement.
Régime apériodique (ξ > 1)

La transmittance H(p) s'écrit donc sous la forme : $H(p) = \frac{K\omega_0^2}{\left(p + \frac{1}{T1}\right)\left(p + \frac{1}{T2}\right)}$

$$
s(t) = K e_0 \left[ 1 - \frac{1}{2} (1+a) e^{-\nu T_1} - \frac{1}{2} (1-a) e^{-\nu T_2} \right] u(t)
$$

<figure><img src="image_109.png" /></figure>

Plusieurs cas sont à examiner suivant la valeur
des racines T₁ et T₂.

Par exemple si T₂ ≈ 100 T₁, on obtient : ω₀
= 1/(10T₁) ⇒ ξ ≈ 5,05

Par contre un amortissement
ξ = 1,01 correspond à un rapport des racines T₂/T₁
= 1,04

Propriétés : Lorsque les deux constantes de temps T₁ et T₂ sont très différentes (rapport de l'ordre de 3) alors le système peut être assimilé à un premier ordre de constante de temps T₂ éventuellement retardé de T₁.

Influence des paramètres caractéristiques ω₀ et ζ

<figure><img src="image_110.png" /></figure>

La réponse temporelle présente des dépassements pour ζ > 1 (pseudo périodique). Les courbes en gras représentent les cas particuliers suivants :

• ζ = 1 réponse apériodique critique

* ζ ≈ 0,7 réponse optimisant le temps de réponse à 5 % (le premier dépassement vaut 1,05 K.e₀)

La pulsation ω ne modifie pas l'amplitude des dépassements.
# REPONSE FREQUENTIELLE DES SYSTEMES DU PREMIER ET DU SECOND ORDRE.

## DEFINITION

L'analyse harmonique d'un système consiste à le soumettre à une entrée sinusoïdale et à étudier sa sortie en régime permanent en fonction de la pulsation du signal d'entrée.

Considérons un système linéaire soumis à une entrée sinusoïdale :

$$e(t) = e_0 \sin(\omega t)$$

On montre qu'après extinction du régime transitoire, la réponse s(t) est sinusoïdale de même pulsation, mais avec une amplitude $s_\omega$ et une phase $\varphi_\omega$ fonctions de la pulsation :

$$s(t) = s_{\omega} \sin(\omega t + \varphi_{\omega})$$

Pour chaque valeur de $\omega$, on va définir les deux quantités suivantes :

$$\text{le gain } G_{\omega} = \frac{s_{\omega}}{e_0}$$

la phase $\varphi_\omega$

On caractérise ainsi l'évolution du gain et de la phase en fonction de la pulsation.

<figure><img src="image_111.png" /></figure>

## FONCTION DE TRANSFERT EN REGIME HARMONIQUE

Soit $H(p)$ la fonction de transfert d'un système linéaire.

On peut démontrer qu'en remplaçant la variable $p$ de Laplace par $j\omega$, cette fonction de transfert s'écrit :

$H(j\omega)$ est un nombre complexe :

$$\text{de module } |H(j\omega)| = G_{\omega}$$

$$\text{d'argument } \arg(H(j\omega)) = \varphi_{\omega}$$

$$H(j\omega) = \frac{s_{\omega}}{e_0} e^{j\varphi_{\omega}}$$

## REPRESENTATION DU COMPORTEMENT HARMONIQUE

### Ordres de grandeurs et modes de représentation

On utilise des échelles logarithmiques (logarithme décimal, noté : log) pour graduer les axes ou les courbes.

Les échelles de variation de ces grandeurs sont si étendues qu'il est préférable de faire figurer les logarithmes de ces quantités. On définit alors le **gain en décibels** (dB) par

$$G_{\text{dB}} = 20 \log |H(j\omega)| \text{ en dB}$$

Afin de représenter $H(j\omega)$, on utilise principalement les représentations de BODE, de NYQUIST et de BLACK.

## Diagramme de BODE

### Représentation d'un système du premier ordre

$$\text{La transmittance s'écrit sous la forme : } H(p) = \frac{K}{1 + \tau p} \quad \Rightarrow \quad H(j\omega) = \frac{K}{1 + j\tau\omega}$$
$$
\left\{
\begin{array}{l}
|H(j\omega)| = \frac{K}{\sqrt{1 + \tau^2 \omega^2}} \\
\\
\varphi_{\omega} = \arg(H(j\omega)) = -\arctan(\tau\omega) \text{ et } \varphi_{\omega} \in [-\frac{\pi}{2}, 0] \text{ car } \tau\omega > 0
\end{array}
\right.
$$

<figure><img src="image_112.png" /></figure>

La valeur $\omega_0 = 1/\tau$ de la pulsation est appelée pulsation de cassure; la courbe de phase présente un point d'inflexion pour cette valeur.

Le diagramme réel est distinct du diagramme asymptotique. L'écart maximal entre les deux diagrammes est de 3 dB à la pulsation de cassure. Ces écarts relativement faibles font que l'on peut se satisfaire pour la plupart des applications du seul diagramme asymptotique.

Représentation d'un système du second ordre

$$
H(p) = \frac{K}{1 + \frac{2\xi p}{\omega_0} + \frac{p^2}{\omega_0^2}} \Rightarrow H(j\omega) = \frac{K}{\left(1 - \frac{\omega^2}{\omega_0^2}\right) + \frac{2j\xi\omega}{\omega_0}}
$$

$$
\left\{
\begin{array}{l}
|H(j\omega)| = \frac{K}{\sqrt{\left(1 - \frac{\omega^2}{\omega_0^2}\right)^2 + \frac{4\xi^2\omega^2}{\omega_0^2}}} \\
\\
\varphi_{\omega} = -\arg\left(\left(1 - \frac{\omega^2}{\omega_0^2}\right) + \frac{2j\xi\omega}{\omega_0}\right) = -\arctan\left(\frac{2\xi\omega_0\omega}{(\omega_0^2 - \omega^2)}\right) \text{ et } \varphi_{\omega} \in [-\pi, 0]
\end{array}
\right.
$$

Propriétés et tracé de la courbe asymptotique : **Pour 0<ξ≤1**

Si $\xi < \sqrt{2}/2$, alors la dérivée $\frac{d|H(j\omega)|}{d\omega}$ s'annule en $\omega_n = \omega_0 \sqrt{1-2\xi^2}$, il y a donc un
maximum en $\omega_n$ qui est appelé pulsation de résonnance et la valeur de la résonnance en

$$
\text{gain vaut : } G_{dB} = 20 \log \left( \frac{K}{2\xi\sqrt{1-\xi^2}} \right)
$$

Si $\xi > \sqrt{2}/2$ (fortement amorti), il n'y a pas de résonnance.
Allure des diagrammes :

<figure><img src="image_113.png" /></figure>

Pour $\xi>1$

les deux pôles sont réels, la fonction de transfert peut se mettre sous la forme :

$$H(j\omega) = \frac{K}{[1 + jT_1\omega][1 + jT_2\omega]}$$

La fonction de transfert est la multiplication de deux premiers ordres de constante de temps $T_1$ et $T_2$

$$\text{avec } \left(\frac{1}{T_2} < \frac{1}{T_1}\right).$$

Allure des diagrammes :

<figure><img src="image_114.png" /></figure>
## II.2 AUTOMATISMES (O SYSTEMES AUTOMATISES LOGIQUES)

### II.2.1 LES FAMILLES ET LES CONSTITUANTS D'AUTOMATISMES

<figure><img src="image_115.png" /></figure>

### II.2.2 FONCTIONS TRAITEMENTS DE DONNEES

<figure><img src="image_116.png" /></figure>
## Logique programmée vs Logique câblée

<figure><img src="image_117.png" /></figure>

Entrées

Km1 : contact de KM1

S2 : BP arrêt

S1 : BP marche

Q1 : sectionneur fermé

F2 : contact associé au relais thermique

Sorties

KM1 : contacteur étoile

KM2 : contacteur ligne

KM3 : contacteur triangle

H2 : voyant fin du démarrage

<figure><img src="image_118.png" /></figure>

### Avantages

<table><thead><tr><th>Logique programmée</th><th>Logique câblée</th></tr></thead><tbody><tr><td><ul><li>Souplesse et adaptabilité de l'installation (Remplacement des fonctions combinatoires et séquentielles par un programme).</li><li>Solution plus compacte</li></ul></td><td><ul><li>Automatisme simple et rapide à mettre en oeuvre</li><li>Obligatoire pour le traitement d'arrêt d'urgence et de sécurité.</li></ul></td></tr><tr><td><ul><li>Plus cher.</li><li>Compatibilité entre familles d'automates.</li><li>Pérennité d'une installation...</li></ul></td><td><ul><li>Solution rigide et rapidement volumineuse.</li></ul></td></tr></tbody></table>

### Inconvénients

## II.2.3 EXEMPLE DE LA LOGIQUE CABLEE

### Logique programmée vs Logique câblée: Schéma de puissance de l'installation

<figure><img src="image_119.png" /></figure>
## Logique programmée vs Logique câblée: Schéma de puissance de l'installation

<figure><img src="image_120.png" /><figcaption>Logique programmée vs Logique câblée: Comparatif schéma de commande (3)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_121.png" /></figure>
## II.3.3 ELEMENTS DE LA LOGIQUE CABLEE ET DE LA LOGIQUE PROGRAMMEE

### Élément de base des automatismes câblés: Le relais

<figure><img src="image_122.png" /></figure>

#### Fonction Mémoire en logique câblée

Schéma important: A comprendre et à retenir

<figure><img src="image_123.png" /></figure>

Le relais KA1:

1°) « colle » par appui sur le BP NO S2.

2°) s'auto-maintient.

3°) « décolle » par appui sur le BP NF S1

$$KA1=\overline{S1} \Box (S2+KA1)$$
# Pré-actionneurs électriques: les contacteurs

## • aspect fonctionnel

<figure><img src="image_124.png" /></figure>

<figure><img src="image_125.png" /></figure>

## • Principe: électromagnétique

### • Symbole:

**Contacteur au repos**
La bobine n'est pas alimentée
Les contacts sont en position repos

<figure><img src="image_126.png" /></figure>

**Contacteur au travail**
La bobine est alimentée
Les contacts sont en position travail

<figure><img src="image_127.png" /></figure>

# Pré-actionneurs électriques: les contacteurs

## • aspect fonctionnel

<figure><img src="image_128.png" /></figure>

<figure><img src="image_129.png" /></figure>

## • Principe: électromagnétique

### • Symbole:

**Contacteur au repos**
La bobine n'est pas alimentée
Les contacts sont en position repos

<figure><img src="image_130.png" /></figure>

**Contacteur au travail**
La bobine est alimentée
Les contacts sont en position travail

<figure><img src="image_131.png" /></figure>
Exemple de circuit de puissance d'un actionneur électrique

<figure><img src="image_132.png" /></figure>

Le langage à contacts

• Opérateur logique ET

<figure><img src="image_133.png" /></figure>

<figure><img src="image_134.png" /></figure>

<figure><img src="image_135.png" /></figure>

$S = a \cdot b$

S égal à ET b

<figure><img src="image_136.png" /></figure>

2 contacts en série

• Opérateur logique OU

<figure><img src="image_137.png" /></figure>

<figure><img src="image_138.png" /></figure>

<figure><img src="image_139.png" /></figure>

$S = a + b$

<figure><img src="image_140.png" /></figure>

2 contacts en parallèle

• Opérateur logique INHIBITION

<figure><img src="image_141.png" /></figure>

<figure><img src="image_142.png" /></figure>

<figure><img src="image_143.png" /></figure>

$S = \bar{a} \cdot b$

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

2 contacts en série

• Opérateur logique NAND (NON ET)

<figure><img src="image_145.png" /></figure>

<figure><img src="image_146.png" /></figure>

<figure><img src="image_147.png" /></figure>

$S = \bar{a}\bar{b} + \bar{a}b + ab$

$S = \bar{a} + \bar{b}a \Rightarrow$

$S = \overline{a \cdot b}$

$S = \bar{a} + \bar{b}$

<figure><img src="image_148.png" /></figure>

Fonction
NON
Synoptique d'une installation automatisée

<figure><img src="image_149.png" /></figure>
# CHAP.III LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

## 1- Introduction

Les **Automates Programmables Industriels (API)** sont apparus aux Etats-Unis vers 1969 où ils répondaient aux désirs des industries de l'automobile de développer des chaînes de fabrication automatisées qui pourraient suivre l'évolution des techniques et des modèles fabriqués.

Un Automate Programmable Industriel (**API**) est une machine électronique programmable par un personnel non informaticien et destiné à piloter en ambiance industrielle et en temps réel des procédés industriels. Un **automate programmable** est adaptable à un maximum d'application, d'un point de vue traitement, composants, language. C'est pour cela qu'il est de construction modulaire.

Il est en général manipulé par un personnel électromécanicien. Le développement de l'industrie à entraîner une augmentation constante des fonctions électroniques présentes dans un automatisme c'est pour ça que l'API s'est substitué aux armoires à relais en raison de sa souplesse dans la mise en œuvre, mais aussi parce que dans les coûts de câblage et de maintenance devenaient trop élevés.

## 2- Pourquoi l'automatisation ?

L'automatisation permet d'apporter des éléments supplémentaires à la valeur ajoutée par le système. Ces éléments sont exprimables en termes d'objectifs par :

- Accroître la productivité (rentabilité, compétitivité) du système

- Améliorer la flexibilité de production ;

- Améliorer la qualité du produit

- Adaptation à des contextes particuliers tel que les environnements hostiles pour l'homme (milieu toxique, dangeureux.. nucléaire...), adaptation à des tâches physiques ou intellectuelles pénibles pour l'homme (manipulation de lourdes charges, tâches répétitives parallélisées...),

- Augmenter la sécurité, etc...
<figure><img src="image_150.png" /><figcaption>Figure 4.1 : Automate SIEMENS S5-95U</figcaption></figure>

### 3- Structure générale des API :

Les caractéristiques principales d'un automate programmable industriel (API) sont :
coffret, rack, baie ou cartes

* Compact ou modulaire

* Tension d'alimentation

* Taille mémoire

* Sauvegarde (EPROM, EEPROM, pile, ...)

* Nombre d'entrées / sorties

* Modules complémentaires (analogique, communication, ...)

* Langage de programmation
<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Figure 4.2 : Aspect extérieur d'un automate S7-200 CPU222</figcaption></figure>

Des API en boîtier étanche sont utilisés pour les ambiances difficiles (température, poussière, risque de projection ...) supportant ainsi une large gamme de température, humidité ... L'environnement industriel se présentent sous trois formes :

* environnement physique et mécanique (poussières, température, humidité, vibrations);

* pollution chimique ;

* perturbation électrique. (parasites électromagnétiques)
<figure><img src="image_152.png" /><figcaption>Figure 4.3 : Automate Modulaire</figcaption></figure>

## 4- Structure interne d'un automate programmable industriel (API) :

Les API comportent quatre principales parties (Figure 4.4) :

* Une unité de traitement (un processeur CPU);

* Une mémoire ;

* Des modules d'entrées-sorties ;

* Des interfaces d'entrées-sorties ;

* Une alimentation 230 V, 50/60 Hz (AC) - 24 V (DC).

La structure interne d'un **automate programmable industriel (API)** est assez voisine de celle d'un système informatique simple, L'unité centrale est le regroupement du processeur et de la mémoire centrale. Elle commande l'interprétation et l'exécution des instructions programme. Les instructions sont effectuées les unes après les autres, séquencées par une horloge.

Deux types de mémoire cohabitent :

- **La mémoire Programme** où est stocké le langage de programmation. Elle est en général figée, c'est à dire en lecture seulement. (ROM : mémoire morte)

- **La mémoire de données** utilisable en lecture-écriture pendant le
fonctionnement c'est la RAM (mémoire vive). Elle fait partie du système entrées-sorties. Elle fige les valeurs (0 ou 1) présentes sur les lignes d'entrées, à chaque prise en compte cyclique de celle-ci, elle mémorise les valeurs calculées à placer sur les sorties.

<figure><img src="image_153.png" /><figcaption>Figure 4.4 : Structure interne d'un automates programmables industriels (API)</figcaption></figure>

## 5- Fonctionnement :

L'automate programmable **reçoit** les informations relatives à l'état du système et puis **commande** les pré-actionneurs suivant le programme inscrit dans sa mémoire.

Généralement les automates programmables industriels ont un fonctionnement cyclique (Figure 4.5). Le **microprocesseur** réalise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de temporisation, de comptage, de calcul... Il est connecté aux autres éléments (mémoire et interface E/S) par des liaisons **parallèles** appelées 'BUS' qui véhiculent les informations sous forme binaire. Lorsque le fonctionnement est dit synchrone par rapport aux entrées et aux sorties, le cycle de traitement commence par la prise en compte des entrées qui sont figées en mémoire pour tout le cycle.
<figure><img src="image_154.png" /><figcaption>Figure 4.5 : Fonctionnement cyclique d'un API</figcaption></figure>

# 6- Description des éléments d'un API :

## 6.1- La mémoire :

Elle est conçue pour recevoir, gérer, stocker des informations issues des différents secteurs du système que sont le terminal de programmation (PC ou console) et le processeur, qui lui gère et exécute le programme. Elle reçoit également des informations en provenance des capteurs.

<figure><img src="image_155.png" /><figcaption>Figure 4.7 : La mémoire</figcaption></figure>

Il existe dans les automates deux types de mémoires qui remplissent des fonctions différentes :
- La mémoire Langage où est stocké le langage de programmation. Elle est en général figée, c'est à dire en lecture seulement. (ROM : mémoire morte)

- La mémoire Travail utilisable en lecture-écriture pendant le fonctionnement c'est la RAM (mémoire vive). Elle s'efface automatiquement à l'arrêt de l'automate (nécessite une batterie de sauvegarde).

Répartition des zones mémoires :

* Table image des entrées

* Table image des sorties

* Mémoire des bits internes

* Mémoire programme d'application

## 6.2- Le processeur :

Son rôle consiste d'une part à organiser les différentes relations entre la zone mémoire et les interfaces d'entrées et de sorties et d'autre part à exécuter les instructions du programme.

## 6.3- Les interfaces et les cartes d'Entrées / Sorties:

L'interface d'entrée comporte des adresses d'entrée. Chaque capteur est relié à une de ces adresses. L'interface de sortie comporte de la même façon des adresses de sortie. Chaque préactionneur est relié à une de ces adresses. Le nombre de ces entrées est sorties varie suivant le type d'automate. Les cartes d'E/S ont une modularité de 8, 16 ou 32 voies. Les tensions disponibles sont normalisées (24, 48, 110 ou 230V continu ou alternatif ...).
<figure><img src="image_156.png" /><figcaption>Figure 4.8 : Les interfaces d'entrées/sorties</figcaption></figure>
# CHAP.IV LES RESEAUX INDUSTRIELS

## IV.1 INTRODUCTION

L'histoire des réseaux locaux industriels remonte à la fin des années 70, avec l'apparition des équipements industriels numériques intelligents et des réseaux informatique de bureaux. Leur apparition est venue répondre,

- premièrement, à la demande croissante de productivité dans le domaine industriel par l'automatisation de la communication entre les différents équipements industriels (de contrôle et de mesure) de façon à éliminer les pertes de temps et les risques d'erreurs dus aux interventions humaines,

- deuxièmement, au besoin d'interconnexion des équipements industriels informatisés hétérogènes qui ont été introduits dans le milieu industriel d'une manière anarchique, c'est-à-dire en résolvant chaque problème à part sans prendre en compte l'intégrité de tout le système industriel.

Les réseaux locaux industriels ont été donc introduits petit à petit dans les systèmes automatisés, à des stades divers selon les domaines d'application. Ils sont nés avec le développement de l'électronique et des matériels numériques programmables. L'apparition des régulateurs numériques et des automates programmables a conduit les offreurs à mettre sur le marché des réseaux pour les interconnecter et rapporter à moindre coût de câblage les informations nécessaires à la conduite par les opérateurs dans les salles de commande
<figure><img src="image_157.png" /><figcaption>Figure 1 NIVEAUX ET CARACTERISTIQUES RESEAUX DES ORGANES D'AUTOMATISMES ET DE CONTROLE</figcaption></figure>
## Structure d'une installation automatisée:

<figure><img src="image_158.png" /></figure>

L'environnement industriel englobe tous les équipements qui participent à la chaîne de production que ce soit pour la fabrication, le contrôle ou la maintenance. Ces équipements peuvent être des :

* machines à outils,

* robots,

* contrôleurs à logique programmée (PLC),

* capteurs,

* actionneurs,

* stations de supervision,

* ...etc.

Ainsi que les moyens nécessaires à leur interconnexion tel que les câbles, les passerelles, les routeurs,... etc.

Dans les environnements industriels d'aujourd'hui, la plus part des tâches se font d'une façon automatique ce qui maximise les taux de production, garantit une meilleure sécurité du personnel, et augmente la rentabilité de l'industrie en générale.
<figure><img src="image_159.png" /></figure>

L'automatisation de l'industrie permet d'atteindre des objectifs très intéressants :

- Commercialiser rapidement les nouveaux produits,

- Réagir à court terme et avec souplesse aux exigences du marché,

- Réduire le temps de mise sur marché,

- Produire de manière efficace et économique,

- Exploiter de façon optimale les capacités des machines,

- Minimiser les temps improductifs,

- ...etc.

De telles objectifs ne sont parfaitement atteints que si toutes les machines d'une installation sont complètement automatisées et fonctionnent en parfaite interaction, ce qui peut-être atteint par :

- l'utilisation de machines automatisées,

- L'utilisation des PLC (contrôleurs à logique programmée) qui permettent d'automatiser l'utilisation de certains équipement non automatisés.

- L'utilisation des robots pour automatiser les tâches « intelligentes » telles que la soudure, le montage, assemblage, ... etc.
- L'utilisation des réseaux informatiques industriels pour garantir l'interopérabilité des équipements automatisés.

Les installations industrielles, permettent de mettre en œuvre un grand nombre de fonctions qui sont largement interdépendantes et qui peuvent être organisé hiérarchiquement en quatre niveaux d'abstraction :

1. Le niveau Entreprise (niveau 3)

On trouve à ce niveau des services de gestion tel que :

La gestion commerciale,

La gestion du personnel,

La gestion financière, ...

2. Le niveau usine (niveau 2)

Ce niveau englobe des tâches de gestion de la production tel que :

La GPAO : gestion de production assistée par ordinateur,

La CFAO : Contrôle de fabrication assisté par ordinateur,

La CAO : Conception assisté par ordinateur,

Des services de transport,

Le contrôle de qualité,....
### 3. Le niveau atelier ou cellule (niveau 1)

Contient plusieurs îlots de fabrication, de vision, de supervision, des robots, des automates, ...etc.

### 4. Le niveau terrain (niveau 0)

C'est le niveau le plus bas, qui contient les équipements de fabrication proprement dite tel que :

- Les machines automatisées de production qui sont des machines programmables qui peuvent selon le programme chargé exécuter des tâches complexes sans intervention humaine,

- Les capteurs qui sont des instruments de mesure qui peuvent fournir à des machines intelligentes (tel que les ordinateurs ou les contrôleurs) des informations telle que la température, la pression, la tension, la couleur, les variations, ...etc

- Les actionneurs qui sont des instruments qui peuvent être activés par des machines intelligentes tel que les vannes, les interrupteurs, les alarmes, ...etc

Parmi toutes les composantes d'une installation industrielle, les réseaux de communication jouent un rôle central dans les solutions automatisées, ils permettent essentiellement :

- un flux d'information continu depuis le niveau capteurs/actionneur jusqu'au niveau gestion de l'entreprise

- la disponibilité des informations en tout point de l'installation

- échange rapide des informations entre les différentes parties de l'installation

- un diagnostic, et une maintenance efficaces

- des fonction de sécurités intégrées empêchant les accès non autorisés

- ... etc.

## IV.2 LE BUS DES CAPTEURS ET DES ACTIONNEURS : NIVEAU 0

### IV.2.1 PRESENTATION DU BUS DE CAPTEURS ET ACTIONNEURS (ASI)

Les bus de capteurs et des actionneurs sont connus surtout avec leur appellation en anglais Actuator Sensor Interface (ASI) :
En 1991, un groupe de 11 sociétés spécialisées dans les capteurs/actionneurs a défini un **bus de terrain** afin de pouvoir interconnecter facilement les capteurs et les actionneurs, ainsi est né le concept ASI (Actuator Sensor Interface).

Depuis 1992 une association ASI, qui compte à ce jour 50 membres, est chargée de coordonner, certifier et standardiser le bus.

<figure><img src="image_160.png" /></figure>

<figure><img src="image_161.png" /></figure>

## Caractéristique du bus ASI :

- Nature d'information échangé : bytes ;

- Débit : quelques bits / seconde ;

- Distance : maximum 100 m ;

- Temps de réaction : $10^{-3}$ secondes ;

- Fabriquant : AS-I; PROFIBUS PA; CAN; SERIPLEX; ...

## II.2.2 ARCHITECTURE DU BUS DE CAPTEURS ET ACTIONNEURS (ASI)

ASI permet d'interconnecter des modules Esclaves à un Maître (API).

### La topologie ASI

<figure><img src="image_162.png" /></figure>

Pour 1 seul maître, on peut connecter jusqu'à 31 esclaves et pour chacun d'eux on peut piloter 4 entrées et ou 4 sorties par esclave en disposant, en plus, de 4 bits de paramétrage. Les modules d'E/S permettent de recevoir 1 à 8 capteurs/actionneurs soit actifs soit passifs (intégrant un chip ASI).
<figure><img src="image_163.png" /></figure>

Cela correspond ainsi à un maximum de 248 capteurs ou actionneurs TOR. La topologie est totalement libre (étoile, bus, arbre), mais ne doit pas dépasser 100m.

IV.2.2 MISE EN OEUVRE DU BUS DE CAPTEURS ET ACTIONNEURS (ASI)

<figure><img src="image_164.png" /></figure>
Pour mettre en œuvre un bus ASI, on utilise différents équipements, il faudra pouvoir dialoguer avec les périphériques mais aussi alimenter l'ensemble.

## Les modes d'alimentation.

Un câble pour alimenter les entrées (Jaune), un câble pour alimenter les sorties 24 Volts (Noir) ou 220 V (Rouge).

<figure><img src="image_165.png" /></figure>

## Les câbles ASI.

Le câble plat AS-i auto cicatrisant :

- Détrompage mécanique, ambiance normale,

- mise en oeuvre rapide.

- Installation simple au plus près des capteurs / actionneurs.

Le câble rond : (exemple: H05VV-F2x1.5)

- Ambiance difficile (huile de coupe, étincelage...) Homologations particulières.

Pour les raccordements des périphériques, on utilise un câblage IP67 par connecteurs M12 et modules à prises vampires :

- Réduction des borniers intermédiaires.

- Installation rapide et sans interruption du câble.

<figure><img src="image_166.png" /></figure>
# IV.3 BUS ET RESEAUX DE TERRAIN

## IV.3.1 BUS DE TERRAIN (FIELDBUS) : Niveau 1

Le bus de terrain ou Fieldbus est un terme générique qui désigne un support de communication numérique qui remplace progressivement dans l'industrie le concept de transmission analogique appelé couple 4-20 mA par un bus série numérique bidirectionnel susceptible de relier les dispositifs indépendants sur terrain tels que les périphéries d'automatismes (variateur de vitesse, démarreur, robot...), le coupleur (module entrée-sortie), les capteurs, les actionneurs et les contrôleurs.

Un bus de terrain est un système de communication numérique dédié qui respecte le modèle d'interconnexion des systèmes ouverts (OSI) de l'Organisation de Standardisation Internationale (ISO 7498 - 1983).

Un bus de terrain est basé sur la restriction du modèle OSI à 3 couches :

* Couche Application

* Couche Liaison

* Couche Physique

<figure><img src="image_167.png" /></figure>

C'est un réseau **bidirectionnel, sériel, multibranche** (multiprop), reliant différents types d'équipements : E/S déportées, Capteur / Actionneur, Automate programmable (API), CNC, Calculateur, PC Industriel, ...

* Terrain : espace géographique limité.

* Bus : ensemble de conducteurs commun à plusieurs circuits permettant d'échanger des données. Les échanges sont régis par un protocole.

* Réseau : bus ou ensemble de bus répartis sur un terrain.

* Un bus de terrain est donc un système de communication entre plusieurs ensembles communiquants dans une zone géographique limitée (capteurs, calculateurs, automates, actionneurs, ...).

**Caractéristique du bus terrain :**
- Nature d'information échangé : mots (word) ;

- Débit : quelques octets / seconde ;

- Distance : maximum 1000 m ;

- Temps de réaction : $10^{-2}$ secondes ;

- Fabriquant: FIPIO; PROFIBUS DP; MODBUS ; UNTEL WAY ;....

# Finalité d'un bus de terrain

La transmission rapide et fiable de petits paquets d'information

<figure><img src="image_168.png" /></figure>
<figure><img src="image_169.png" /></figure>

Bus de terrain
Capteurs

Câblage traditionnel

<figure><img src="image_170.png" /></figure>

<figure><img src="image_171.png" /></figure>

Bus de terrain

<figure><img src="image_172.png" /></figure>

2 câbles pour l'alimentation électrique 12 V DC

1 paire torsadée pour les transferts
d'informations
# EXEMPLE DU BUS DE TERRAIN : LE PROFIBUS DP DE SIEMENS

<figure><img src="image_173.png" /></figure>

## Profibus-DP: spécificités

<figure><img src="image_174.png" /></figure>

* ✓ Très complet : E/S déportées, variation de vitesse et positionnement, IHM, multi-maître, consoles

* ✓ La plupart des constructeurs le proposent en option

* ✓ Automates : intégré chez Siemens essentiellement

* ✓ Selon le débit, de 100m à 1200m sans répéteur

* ✓ Offres variées, surtout IP20.

* ✓ 125 esclaves maxi

<figure><img src="image_175.png" /></figure>

### II.3.2 RESEAU DE TERRAIN (DEVICE BUS) : Niveau 2

#### II.3.2.1 DEFINITION DU RESEAU DE TERRAIN (BUS EQUIPEMENT)

Le bus d'équipement (Device Bus) permet de raccorder les organes de commande tels que les APIs, PCs, CNNs (Contrôle Commande Numérique), aux blocs de capteurs et actionneurs (modules déportés), aux lecteurs code barre, aux cellules photoélectriques, aux variateurs de vitesse, etc. La position de ce type de bus le situe entre les bus capteurs/actionneurs et les réseaux de terrain dits généralistes.

### IV.3.2.2 CARACTERISTIQUE DU RESEAU DE TERRAIN :

- Nature d'information échangée : messages ;

- Débit : quelques kbits / seconde ;

- Distance : maximum 10000 m ;

- Temps de réaction : $10^{-1}$ secondes ;
- Fabriquant: FIPWAY; PROFIBUS DP; MODBUS +; ...

#### IV.3.2.3 ARCHITECTURES CENTRALISEES ET DECENTRALISEES DE RESEAU DE TERRAIN

<figure><img src="image_176.png" /></figure>
# Architectures centralisées

## Mise en œuvre pratique

<figure><img src="image_177.png" /></figure>

# Architectures décentralisées

## Schéma de principe

<figure><img src="image_178.png" /></figure>
# Architectures décentralisées

## Quelques technologies utilisées comme bus de terrain

<figure><img src="image_179.png" /></figure>

# Architectures centralisées et décentralisées

## Comparaison en pratique

<figure><img src="image_180.png" /></figure>
# IV.4 RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS : NIVEAU 3 (SYSTEME NUMERIQUE DE CONTROLE ET COMMANDE SNCC)

## IV.4.1 GENERALITES SUR SNCC

### STRUCTURE GÉNÉRALE D'UN S.N.C.C.

Les Systèmes Numériques de Contrôle Commande (S.N.C.C.) ont pris leur essor dans les années 1970 avec la baisse du prix des microprocesseurs (la présentation des premiers systèmes date de 1975) ; celle-ci a permis, par utilisation de plusieurs unités de traitement à microprocesseurs, de disposer d'une grande puissance de traitement répartie en sous-ensembles indépendants, fournis, pour chacun d'entre eux, avec un certain nombre de fonctions ; ces fonctions, élémentaires au départ (régulation PID, et/ou acquisition, ...) sont devenues au cours du temps de plus en plus élaborées ce qui a largement augmenté les possibilités offertes par les systèmes.

La structure générale d'un S.N.C.C. est représentée ci-dessous.

<figure><img src="image_181.png" /></figure>

## IV.4.3 ARCHITECTURE MATERIELLE SNCC
NB. SNCC= DCS

<figure><img src="image_182.png" /></figure>

<figure><img src="image_183.png" /></figure>

<figure><img src="image_184.png" /></figure>

<figure><img src="image_185.png" /></figure>

* **Années**
  80
  SCADA

<figure><img src="image_186.png" /></figure>

RTU

Supervision
Contrôle simple

* **Années**
  90
  SCADA

<figure><img src="image_187.png" /></figure>

DCS
Ethernet/Protocole propriétaire
ou
type 103, MODBUS

Supervision
Protection
Automatismes
lents

* **Aujourd'hu**

<figure><img src="image_188.png" /></figure>

DCS
Ethernet/Protocole standardisé
IEC 61850

Supervision / Protection
Automatismes rapides
Ingénierie standardisée
## Différentes architectures basées sur le protocole IEC61850

<figure><img src="image_189.png" /></figure>

Journée d'études SEE - Lille 2010

GRID

ALSTOM

17

### IV.4.3 COMPOSITION DU SNCC

Celui-ci est composé :

* de plusieurs sous-ensembles à microprocesseurs assurant chacun une partie du traitement et dotés des entrées-sorties industrielles nécessaires pour, essentiellement, la régulation continue et les séquences d'opération

* de périphériques de dialogue permettant :

- le suivi de la marche des unités sur écrans vidéos couleurs

- la commande par claviers des actionneurs (vannes, moteurs électriques, ...)

* de modules complémentaires permettant :

- la réalisation d'historiques

- l'optimisation par supervision des boucles de régulation de base

- la mise en sécurité (automate programmable)

- la sortie de journaux (imprimante)

- l'archivage (disques magnétiques)

* d'un câble coaxial appelé bus faisant la liaison entre les éléments précédents, et dont la longueur permet leur dissémination dans l'usine :

- armoires de contrôle près des unités de fabrication

- périphériques de dialogue et modules complémentaires en salle de contrôle
# IV.5 RESEAUX D' ENTREPRISE ET LA PYRAMIDE CIM : NIVEAU 4 (GESTION ENTREPRISE)

## IV.5.1 GENERALITES SUR LA PYRAMIDE CIM

La **pyramide du CIM** (Computer Integrated Manufacturing) est une méthode largement généralisée qui représente 4 niveaux auxquels correspondent des niveaux de décision. Plus on s'élève dans la pyramide du CIM, plus le niveau de décision est important et plus la visibilité est globale. Un niveau supérieur décide ce qu'un niveau inférieur exécute.

On distingue généralement les niveaux suivants :

- au niveau 3 : la gestion des produits et des stocks, la gestion des approvisionnements, la gestion des clients, des commandes et de la facturation (gérés par les ERP (Enterprise Resources Planning))

- au niveau 2 : la localisation des produits en stocks, les mouvements physiques et la gestion des lots (géré par le système de gestion d'entrepôt)

- au niveau 1 : les automatismes

- au niveau 0 : les capteurs et actionneurs

Ainsi à chaque niveau, correspond un bus ou un réseau adapté aux besoins:

**Réseaux locaux industriels (data bus):** communication entre l'automatisme et le monde informatique

→ Quantités importantes d'information (messages, fichiers)

→ Temps de réaction de 1 s à 10 s (temps non critique)

→ Longue distance possible

**Bus de terrain: (field bus) réseaux entre unités de traitement (automates programmables, superviseurs, commandes numériques ...), (device bus) bus et réseaux pour la périphérie d'automatisme (variateurs, robots, axes ...) permet la communication d'unités de traitement pour la coordination des automatismes distribués**

→ Quantité relativement faible de données < 256 octets

→ Temps de réaction < 100 ms (notion d'événements temps réel)

→ Distance < 1 km

**Bus capteur/actionneur (sensor bus):** interface avec les capteurs/actionneurs, relie entre eux des noeuds à intelligence limitée ou nulle

→ Niveau bits

→ Temps de réaction < 10 ms (contrainte temps réel)

→ Distance < 100 m

<figure><img src="image_190.png" /></figure>
Le **Computer Integrated Manufacturing** (CIM) est un concept décrivant l'automatisation complète des processus de fabrication. C'est-à-dire que tous les équipements de l'usine fonctionnent sous le contrôle permanent des ordinateurs, automates programmables et autres systèmes numériques.

**niveau 3** : la gestion des produits et des stocks, la gestion des approvisionnements, la gestion des clients, des commandes et de la facturation (gérés par les ERP)

**niveau 2** : la localisation des produits en stocks, les mouvements physiques et la gestion des lots (géré par le système de gestion d'entrepôt)

**niveau 1** : les automatismes

**niveau 0** : les capteurs et actionneurs.

Avant d'analyser les technologies des réseaux de communication, il est nécessaire de présenter une synthèse des principaux besoins auxquels ces niveaux apportent une réponse pertinente. Les caractéristiques citées dans le tableau de la figure 2 seront détaillées dans les paragraphes suivants.

<table><thead><tr><td>Niveau</td><td>Besoin</td><td>Volume d'informations à transmettre</td><td>Temps de réponse</td><td>Distance</td><td>Topologie réseau</td><td>Nombre d'adresses</td><td>Médium</td></tr></thead><tbody><tr><td>Entreprise</td><td>Echange de données. Sécurité informatique. Standards entre progiciels.</td><td>Fichiers Mbits</td><td>1mn</td><td>Monde</td><td>Bus, étoile</td><td>Non limitée</td><td>Electrique, optique, radio</td></tr><tr><td>Atelier</td><td>Synchronisation des API' d'un même lot d'automatisme échanges d'information en mode client/serveur avec les outils de conduite (HMI, supervision). Performances Temps réel.</td><td>Données Kbits</td><td>50 à 500 ms</td><td>2 à 40 Km</td><td>Bus, étoile</td><td>10 à 100</td><td>Electrique, optique, radio</td></tr><tr><td>Machine</td><td>Architecture distribuée. Intégration fonctionnelle et transparence des échanges. Topologie et coût de connexion.</td><td>Données Kbits</td><td>5 à 100 ms (cycle de l'API)</td><td>10 m à 1 Km</td><td>Bus, étoile</td><td>10 à 100</td><td>Electrique, optique, radio</td></tr><tr><td>Capteur</td><td>Simplification du câblage distribution des alimentations des capteurs et actionneurs. Optimiser les coûts de câblage.</td><td>Données bits</td><td></td><td>1 à 100 m</td><td>Sans contrainte</td><td>10 à 50</td><td>Electrique radio</td></tr></tbody></table>

↑ Fig. 2 Les besoins et les contraintes de communication
Nous pouvons, en première approche, retenir les deux principaux axes de ce tableau de besoins :

- le nombre d'informations à transmettre,

- le temps de réponse nécessaire.

Ceci nous permet de positionner les principaux réseaux commercialisés (↔ Fig. 3).

<figure><img src="image_191.png" /></figure>

#### IV.5.2 MISE EN ŒUVRE DE LA PYRAMIDE CIM

<figure><img src="image_192.png" /></figure>
IV.5.3 EVOLUTION DE L'ARCHITECTURE DE LA PYRAMIDE CIM

5

Un nouveau modèle de pyramide aplanie

<figure><img src="image_193.png" /></figure>

MES Manufacturing Execution System

ERP Entreprise Ressource Planning

SCADA Superviseur

IHM Interface Homme Machine

API Automate Programmable

IV.5.3 ARCHITECTURE DE LA PYRAMIDE CIM APLANIE

<figure><img src="image_194.png" /></figure>
# IV.6 LE RESEAU DES CAPTEURS SANS FIL ET LE RFID

## IV.6.1 LE RESEAU DES CAPTEURS SANS FIL

### Introduction

* Les récentes avancées dans le monde de la micro-électronique et des technologies sans-fil ont permis de développer des capteurs de petite taille, dotés de capacités de traitement et de modes de communication sans-fil.

* Réseaux de capteurs sans fil ou WSN (Wireless Sensor Networks) : Un nouveau paradigme informatique fondé sur les efforts **collaboratifs** d'un ensemble très large de capteurs s'auto-organisant.

<figure><img src="image_195.png" /></figure>

### Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

* Architecture de base

<figure><img src="image_196.png" /></figure>
# Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

## Qu'est ce qu'un capteur?

* Équipement qui mesure une grandeur physique

## Un "capteur" d'un réseau de capteurs

* Capte toujours

* Petit / Grand nombre

* **Limité en énergie**

* Capable de calculer

* Communicant

<figure><img src="image_197.png" /></figure>

# Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

## Caractéristiques

* Nouvelles capacités
  * *Communication*
  * *Calcul*

* Surdimensionnement
  * *Tolérance aux panne*

* Traitement des données en temps réel

* Auto organisation

* Efficace au niveau matériel
  * *Consommation, coût, capacité de calcul, etc.*

* Déploiement aléatoire ou planifié

<figure><img src="image_198.png" /></figure>
## Caractéristiques d'un capteur
(Generic)

<table><tr><td>Processor/Radio Board</td><td>MPR300CB</td></tr><tr><td>Speed</td><td>4 MHz</td></tr><tr><td>Flash</td><td>128K bytes</td></tr><tr><td>SRAM</td><td>4K bytes</td></tr><tr><td>EEPROM</td><td>4K bytes</td></tr><tr><td>Radio Frequency</td><td>2.4 GHz, 916MHz or 433MHz</td></tr><tr><td>Data Rate</td><td>40 kbits/sec</td></tr><tr><td>Power</td><td>0.75 mW</td></tr><tr><td>Radio Range</td><td>100 feet</td></tr><tr><td>Power</td><td>2 x AA batteries; Solar Energy</td></tr></table>

## Créer un tout nouveau panel d'applications

<figure><img src="image_199.png" /></figure>
# Caractéristiques des réseaux de capteurs

* **APPLICATIONS:**

Militaire, Environnemental, Santé, Domotique, Exploration de l'espace, Chimie, Vulcanologie, Catastrophes Naturelles

* **Tâches des capteurs:**

Température, Humidité, Mouvements de véhicules, Luminosité, Pression, Bruits, Présence ou Absence de certains types d'objets, Caractéristiques courantes d'un objet (vitesse, direction, taille)

## Les principes de l'ISA 100.11a

ISA

<figure><img src="image_200.png" /></figure>

* Un réseau local sans-fil de capteurs et d'actionneurs, couvrant un large éventail d'applications, communiquant avec le niveau supérieur au travers d'un routeur de tête (backbone router)
## IV.6 2 LE RFID

<figure><img src="image_201.png" /></figure>

### CAPTEURS RFID

température, humidité relative, vibrations, chocs, inclinaison, jauge de contraintes, résistance, lumière, pression, etc.

La technologie RFID est de plus en plus présente, parfois à notre insu, dans notre environnement. Le domaine de la mesure n'échappe pas à cette règle. Des capteurs RFID, donc autonomes, permettent la mesure de nombreux paramètres comme la température, l'humidité relative, la pression, le poids, les chocs, l'inclinaison, les contraintes, les résistances électriques, piloter un relais, la lumière, etc.

### Qu'est ce que le RFID et les capteurs RFID

RFID signifie Radio Frequency Identification (identification par radio fréquence). Cette technologie permet de connaitre à distance les paramètres d'une puce (ou étiquette) RFID. Il existe deux types de puces RFID : les puces actives ou les puces passives. Les puces actives possèdent une alimentation propre, les puces passives sont alimentées par les ondes radio-fréquences des lecteurs RFID. En effet, un lecteur spécifique est nécessaire pour pouvoir lire les données émises par la puce RFID.

Dans notre gamme d'appareils RFID Farsens, les capteurs sont donc en fonctionnement uniquement lors d'une interrogation par un lecteur. Le reste du temps, ils sont inactifs.

Sur demande, nos capteurs / Tag Farsens peuvent être équipés d'une batterie supplémentaire pour rendre les capteurs actifs ou tout simplement augmenter la portée de transmission.

### Caractéristiques techniques

Compatible avec les lecteurs EPC C1G2

Portée de communication : 1.5 m (bientôt 9 mètres) ou plus avec une alimentation par batterie (nous consulter)

Entièrement autonome : Alimentation par onde radio-fréquence.

Plage de fonctionnement en température : de -30°C à + 85°C

Différents modèles d'antennes disponibles selon applications.
Les différents capteurs :

<figure><img src="image_202.png" /></figure>

### Tag d'identification visuel

LED : 3.2 x 2.8 x 1.9 mm
intensité : 2850 mcd
longueur d'onde : 525nm
angle visualisation : 120°

<figure><img src="image_203.png" /></figure>

### Détecteur Champ RF

LED : 3.2 x 2.8 x 1.9 mm
intensité : 2850 mcd
longueur d'onde : 525nm
angle visualisation : 120°

<figure><img src="image_204.png" /></figure>

### Accéléromètre 3 axes

20Hz en continu
Plage:±2g,±4g, ±8g, ±16g
incertitude : ±40mg
résolution :±1mg

<figure><img src="image_205.png" /></figure>

### magnétomètre 3 axes

2.5Hz en continu
plage:±4/±8/±12/±16
gauss
sensibilité:146 µgauss
(±4gauss)

<figure><img src="image_206.png" /></figure>

### Voltmètre basse tension

0 à 1.5 V
Gain ajustable :1 à 1000
Résolution : de 1.5 mV à
1.5µV
Incertitude : ± 1% résolution

<figure><img src="image_207.png" /></figure>

### Voltmètre 4 voies (BT)

0 à 1.5 V
Gain ajustable :1 à 1000
Résolution : de 1.5 mV à
1.5µV
Incertitude : ± 1%

<figure><img src="image_208.png" /></figure>

### Humidité dans le sol

résistance ohmique
0 à 100 % humidité
ne se corrode pas
câble long et fin

<figure><img src="image_209.png" /></figure>

### Pression et température

260 à 1260mbar ±0.1mbar
résolution : 0.020 mbar
-30 à 85°C ± 2°C
résolution : 0.025°C

<figure><img src="image_210.png" /></figure>

### Humidité-Température

0 à 100% HR±6%HR
résolution : 0.004%HR
0 à 60°C ±1°C
Résolution : 0.016°C

<figure><img src="image_211.png" /></figure>

### Ohmmètre

100 Ohm à 1 MOhm
incertitude : ±1%
10 Ohm à 10 MOhm
incertitude : ±15%

<figure><img src="image_212.png" /></figure>

### Lumière ambiante :

de 0 à 100 (résistance)
0 = Noir
100 = Lumière

<figure><img src="image_213.png" /></figure>

### Moniteur relais mécaniques

2 Hz max
# IV.7 ETHERNET INDUSTRIEL (ETHERNET EN TEMPS REEL EN MILIEU INDUSTRIEL)

## IV.7.1 PRESENTATION DE L'ETHERNET INDUSTRIEL

Le réseau Ethernet, très répandu dans les bureaux, s'impose progressivement dans le milieu industriel. La tendance consiste à équiper tous les appareils de terrain d'un raccordement Ethernet. Le bus de terrain classique est ainsi supplanté. Les niveaux "bureau" et "terrain" sont de plus en plus étroitement liés.

Outre le champ d'application de la technologie Ethernet, les exigences à remplir ont elles aussi évolué. Dans la bureautique, il s'agit essentiellement de transférer de gros volumes de données entre plusieurs ordinateurs tandis que la communication entre les équipements de terrain classiques consiste à transmettre des télégrammes très courts. Cela exige des temps de réponse très rapides, qui plus est hautement déterministes (□ 4) - des exigences que l'Ethernet "standard" n'est pas en mesure de remplir. L'évolution des exigences a entraîné le développement de différents protocoles sur la base matérielle de l'Ethernet. Une partie de ces protocoles implique une séparation entre les lignes Ethernet en temps réel et les réseaux Ethernet standard.

Lenze a élaboré différents modules de communication pour pouvoir remplir les exigences des protocoles Ethernet suivants :

* Ethernet

* Ethernet POWERLINK

* PROFINET®

* EtherCAT®

* EtherNet/IP™
<figure><img src="image_214.png" /></figure>

<figure><img src="image_215.png" /></figure>

HIRSCHMANN
A BRANO GRAND

C'est quoi Ethernet?

* Ethernet est une **méthode de transmission** d'un signal entre deux appareils ou plus sur un média **partagé**.

* Cela ne concerne que purement le **média utilisé**, et le traitement du signal.

* Un type de câblage réseau et de traitement de signal développé par **Digital**, **Intel** et **Xerox** dans les années 70
* Ethernet est devenu le standard IEEE 802.3 en 1985

<figure><img src="image_216.png" /></figure>

* Le type de réseau **LAN** le plus utilisé aujourd'hui (**Local Area Network**).

<figure><img src="image_217.png" /></figure>
<figure><img src="image_218.png" /></figure>

HIRSCHMANN
A BRAND

# Types d'Ethernet

## Principalement différenciés sur la vitesse et le média

* 10 Mbits par seconde (Mbps) - Ethernet

- 10BASE-x (Coax, Paire Torsadée, Fibre optique)

* 100 Mbps - Fast Ethernet (FE)

- 100BASE-x (Paire Torsadée, Fibre optique)

* 1000 Mbps - Gigabit Ethernet (GbE ou 1 GigE)

- 1000BASE-x (Paire Torsadée, Fibre optique)

* 10 Gbps - 10 Gigabit Ethernet (10 GbE ou 10 GigE)

- 10GBASE-x (Paire Torsadée, Fibre optique)

* 100 Gbps - 100 Gigabit Ethernet (100 GbE)

- Groupe IEEE HSSG (802.3ba incluant 40 et 100 GbE)

- Groupement constructeurs électroniques : Road to 100G

<figure><img src="image_219.png" /></figure>

## IV.7.2 LES SERVICES ET PRINCIPAUX CONSORTIUMS

### Les services apportés par Ethernet industriel

Mettre en place Ethernet industriel en tant que réseau de terrain, ce n'est pas forcément la garantie de performances supérieures à celles d'un bus de terrain classique. En revanche, utiliser un réseau Ethernet industriel standard offre un nombre non négligeable de services :

* Une remontée directe des informations venant des équipe-ments de plus bas niveau (capteurs, actionneurs, Entrées/Sorties, balances, etc.). Tous ces produits intègrent de plus en plus d'intelligence et peuvent par eux-mêmes calculer des moyennes ou déclencher des alertes, autant de fonctions qui ne sont pas accessibles par le biais d'une liaison série classique.

* Un interfaçage direct avec les systèmes de supervision et de

gestion des données d'entreprise. Même les réseaux Ethernet industriels les plus performants prennent en charge le transport de ces données lorsque la ligne n'est pas occupée par une transmission critique.

* L'accès aux technologies web pour le paramétrage de tous les équipements IP.

* La commande à distance, via un navigateur web, à supposer que l'entreprise soit équipée d'un routeur.

* La prise en compte de tous types de médias : cuivre, fibre optique, liaisons sans fil, etc.

* L'accès aux fonctions de Machine To Machine (M2M) pour l'envoi de mails ou de SMS en cas d'alerte.
IV.7.3 ARCHITECTURE DE L'ETHERNET INDUSTRIEL

<figure><img src="image_220.png" /></figure>

Légende : Ethernet industriel en jaune et Ethernet standard en rouge
# IV.8 INTERNET INDUSTRIEL (ETHERNET TCP/IP AVEC ACCES INTERNET)

## IV.8.1 PRESENTATION DE L'INTERNET INDUSTRIEL

Une autre évolution en plein essor concerne l'exploitation industrielle des outils développés dans le cadre d'INTERNET. On remarque en effet que la plupart des nouveaux automates programmables et de plus en plus d'équipements de terrain (variateurs de vitesse par exemple) sont dotés d'un serveur WEB et du protocole TCP/IP. C'est ce qui est schématisé à la figure 1.9.

Le serveur WEB contient des pages HTML (HyperText Mark-up Language) qui sont donc accessibles à partir de tout ordinateur à l'aide d'un "navigateur" INTERNET tout à fait standard (Explorer par exemple). La communication peut se faire par le réseau interne de l'usine (INTRANET) ou, de n'importe quel point du globe, par INTERNET. Le cas échéant, les équipements peuvent aussi envoyer spontanément des e-mails au personnel compétent en cas d'anomalie.

Les applications potentielles sont nombreuses : télégestion (réglage de paramètres, voire modification de programmes), télésurveillance (rapatriement d'alarmes), télémaintenance (diagnostic de pannes), téléassistance aux opérateurs locaux, etc.

Comme le montre la figure 1.8., les fonctionnalités de contrôle temps réel du processus restent évidemment assurées par l'intermédiaire de bus de terrain.

## IV.8.2 ETHERNET MODBUS TCP ET LES SERVICES ETHERNET INDUSTRIEL

### ■ Ethernet Modbus TCP

La généralisation d'Ethernet dans les entreprises et sur Internet en a fait un standard de communication incontournable. Son usage généralisé a permis de réduire les coûts de connexion, d'augmenter les performances, la fiabilité et les fonctionnalités. Sa rapidité ne limite pas les applications, son architecture permet facilement les évolutions. Les produits et les logiciels demeurent compatibles, ce qui assure la pérennité des systèmes. Le protocole "Modbus", standard de fait dans l'industrie, fournit une couche application simple et peu onéreuse à mettre en œuvre.
<figure><img src="image_221.png" /></figure>

Les niveaux de communication retenus par Schneider Electric

## Services Ethernet industriel

En complément des services universels Ethernet (HTTP, BOOTP/DHCP, FTP, etc.), huit types de services de communication Ethernet peuvent être fournis par les produits :

- Service de messagerie Modbus TCP.

- Service d'échange d'entrées/sorties distantes : I/O Scanning.

- Service de remplacement d'équipement défaillant : FDR (Faulty Device Replacement).

- Service d'administration de réseau : SNMP.

- Service de distribution de données Globale : Global Data.

- Service de gestion de la bande passante.

- Service de synchronisation de l'heure : NTP.

- Service de notification d'événement : SMTP (E-mail).
IV.9 DESCRIPTION GENERALE ET EVOLUTION COMMUNICATION

Description générale

L'Ethernet est basé sur le principe d'accès au media régit par un
mécanisme de détection de collision. Chaque station est identifiée par
une clé globalement unique, appelée adresse MAC, afin de s'assurer que
tous les postes sur un réseau Ethernet aient des adresses distinctes.
Cette technologie connue sous le nom de Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection (Détection de porteuse avec accès multiples et
détection de collision) ou CSMA/CD garantit qu'une seule station à la fois
transmet un message sur le media.

Les évolutions successives d'Ethernet ont donné naissance au standard
IEEE 802.3 (voir le site www.ieee.org). Il définit seulement les caractéristiques
des couches physiques, la façon dont les informations accèdent au réseau
(ainsi que la trame de donnée doivent être définies par des couches
complémentaires). Il y a souvent confusion entre ces différentes notions,
la figure 10 les situe. Les protocoles mentionnés sont explicités dans les
paragraphes suivants.

Ethernet a été présent dans l'industrie depuis de nombreuses années
sans grand succès. Il était perçu comme non déterministe par les
fournisseurs et les clients. Les besoins temps réel les ont détournés de ce
standard au profit de réseaux propriétaires. Finalement, la combinaison
de protocoles, issus de l'industrie à ceux d'Internet a contribué à son
acceptation.
<figure><img src="image_222.png" /><figcaption>↑ Fig. 10</figcaption></figure>

Les différentes couches

<figure><img src="image_223.png" /></figure>
■ Evolution de la communication, les grandes tendances

Avec l'adoption progressive de standards communs par les deux mondes, la frontière entre automatisme et informatique tombe. La communication entre ces deux mondes converge grâce à l'adoption de protocoles standard mondiaux Ethernet et TCP/IP,

mais aussi grâce à la prise en compte de mécanismes normés tels qu'OPC. Ces nouvelles technologies, associées aux Extranet, Intranet et Internet, autorisent un accès aux données de l'automatisme en temps réel, en tout lieu, à toute personne autorisée. Cette convergence est renforcée par l'arrivée de nombreux constituants d'automatismes basés sur cette technologie. Le concept "Transparent Factory" de Schneider Electric s'appuie sur toutes ces nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC).
## II.10 L'IMPACT NTIC ETLE STANDARD OPC

### □ L'impact des NTIC sur les architectures d'automatismes

La dernière décennie a vu l'apparition des nouveaux langages de programmation et des mécanismes d'échanges de données dans le monde informatique. Depuis dix ans, Ethernet TCP/IP s'est développé sur les architectures d'automatismes et est devenu un réseau fédérateur à partir du niveau 2 du CIM. La généralisation de ce réseau autorise une prise en compte simple de nouveaux outils de conduite et d'exploitation des données : MES (Manufacturing Execution System) et ERP (Enterprise Resource Planning). Parallèlement à l'apparition du MES,

les postes de supervision ont tendance à se repositionner au niveau de la conduite. Dans la terminologie NTIC, il ne faut pas comprendre seulement l'utilisation d'Ethernet TCP/IP mais également les technologies et mécanismes éprouvés et usités dans le monde informatique tels que les langages JAVA, CORBA, HTML, XML mais également de nouvelles technologies issues du monde des télécommunications telles que WAP, Bluetooth, WML... Ainsi, les NTIC permettent :
* de repenser l'approche dans la conception des architectures d'automatismes,

* d'augmenter les capacités et les performances des réseaux de communication par le développement de nouveaux modèles de communication,

* de développer des services associés aux métiers des différents acteurs du procédé.

Globalement, les NTIC ont tendance à aplanir la pyramide du CIM, c'est à dire à fusionner certains niveaux, car il n'est plus utile de décrire les niveaux sous une approche quantitative mais fonctionnelle.

## Le standard OPC

* Le serveur OPC est une application Windows permettant de lire et d'écrire des variables (items ou tags)

* Ces variables sont mises à disposition des applications clientes OPC :

* Excel, Access,...

* Visual Basic, C++, Java,...

* Supervisions, Labview

* GMAO, GPAO, MRP, MES
# Le standard OPC

<figure><img src="image_224.png" /></figure>

<figure><img src="image_225.png" /></figure>

## Application clientes distantes

<figure><img src="image_226.png" /></figure>

Bases de symboles des applications

<figure><img src="image_227.png" /></figure>

<figure><img src="image_228.png" /></figure>

<figure><img src="image_229.png" /></figure>

## Serveur OPC

<figure><img src="image_230.png" /></figure>

FIP, Profibus DP,...

<figure><img src="image_231.png" /></figure>

<figure><img src="image_232.png" /></figure>

<figure><img src="image_233.png" /></figure>

Modbus +

<figure><img src="image_234.png" /></figure>

<figure><img src="image_235.png" /></figure>
# CHAP.V LE SYSTEME D'INFORMATION INDUSTRIEL

## V.1. Définition du MES

### Manufacturing Execution System

#### DEFINITION

MES est un terme employé pour décrire les systèmes qui dépistent et contrôlent tous les aspects d'un travail en temps réel tandis qu'il a lieu dans la phase d'exécution ou dans le processus il peut inclure la gestion de ressource, capacité programmant, gestion d'entretien, le contrôle de qualité statistique, gestion de l'information de laboratoire, contrôle de processus industriel, collecte de données, plantent la gestion de document et l'optimisation larges de processus. MES est concentré sur le court terme et peut lier au logiciel d'ERP/MRPII pour la planification de niveau plus élevé et la commande charge.

#### DEFINITION DE LA MESA (MES ASSOCIATION):

Le Manufacturing Execution System (MES) fournit les informations nécessaires à l'optimisation des activités de production allant de la création de l'ordre de fabrication au produit fini. Par l'utilisation d'informations à jour et précises, le MES guide, initie, réagit aux activités de l'atelier au fur et à mesure de leur déroulement, et fournit des rapports sur ces activités. Sa forte réactivité à l'évolution des conditions de fabrication, associée à un objectif de réduction des activités à faible valeur ajoutée, conduit à un fonctionnement plus efficace de l'atelier de fabrication, diminue les stocks et augmente les marges. En alimentant un flux bidirectionnel d'informations, le MES fournit à toute l'entreprise et à sa chaîne logistique, les données critiques sur les activités de fabrication.
**MES** : Manufacturing Execution System

**MESA** : Manufacturing Enterprise Solutions Association

**NORME S95** : Norme publiée par l'ISA définissant la portée et la structure d'un système d'information ayant pour but le contrôle et le pilotage de la fabrication.

**ISA** : International Society of Automation est une association à but non lucratif qui s'adresse aux professionnels de l'automatisation et à la supervision des procédés industriels. Elle développe des standards qui font référence dans le monde au niveau industriel.

## V.2. MES et flux d'informations

<figure><img src="image_236.png" /><figcaption>Figure 2 FLUX D' INFORMATION SANS MES</figcaption></figure>
<figure><img src="image_237.png" /><figcaption>Figure 3 FLUX D' INFORMATION AVEC MES</figcaption></figure>
<figure><img src="image_238.png" /><figcaption>Figure 4 FLUX D' INFORMATION ERP-MRP-MES</figcaption></figure>
<figure><img src="image_239.png" /><figcaption>Figure 5 COMMUNICATION ENTRE LES SYSTEMES INFORMATIQUES D' ENTREPRISE ET D' ATELIER (ERP-SCADA-MES -CONTROLE ET COMMANDE)</figcaption></figure>

V.3. Fonctions couvertes par le MES

<figure><img src="image_240.png" /></figure>
Le MESA a défini les fonctions principales du MES, reprises ensuite dans la norme ISA S95. Certaines ont un caractère opératoire tandis que d'autres concernent plutôt des fonctions transversales de l'entreprise

- Gestion des ressources

Personnel, Matériels et Equipements et aussi documents, énergies, matières premières, ingrédients...

Réservation, Mise à disposition pertinente, gestion temps réel des ressources de l'atelier ...

Historisation du statut et de l'utilisation de ces ressources

- Ordonnancement

Gestion des ordres de fabrication en tenant compte de l'état réel de l'atelier (ressources disponibles et ou autorisées), en prenant en compte ses performances nominales et en visant l'optimisation de son fonctionnement.

- Cheminement des produits et des lots / Suivi des opérations

Suivi des productions en temps réel, à travers les gammes de fabrication en prenant en compte les aléas de production, les parcours sur différentes lignes ou machines, cette fonction permet l'optimisation des stocks et la prise en compte de tâches non prévues (maintenance, attente,...). Cette fonction participe à la généalogie du produit.

- Gestion des documents de l'atelier

Recettes de fabrication, schémas, organisation, procédures, instructions, avis techniques, modes opératoires aides contextuelles...

Mise à disposition de documents existants et/ou génération de documents sur événements, en particulier pour la traçabilité.
- <u>Collecte et acquisition de données</u>

Interfaçage de toutes formes de données de production acquises manuellement et/ou
automatiquement au niveau du Contrôle Commande (Automates, IHM, Superviseurs, CNC,
SNCC, autres systèmes automatiques d'acquisition)

- Gestion du personnel

Suivi par fonction et par disponibilité de la mise à disposition et de l'affectation avec enregistrement des tâches et du temps passé.

- Gestion de la Qualité

Mise en œuvre de différentes méthodes de contrôle. Processus de conformité libératoire.
Analyse continue et en temps réel des données de qualité demandée et réelle - Alerte sur les
dérives, recherche des causes et suggestion ou exécution des mesures correctives

- Gestion de la maintenance

Planification et enregistrement des actions de maintenance préventive en terme de périodicité et de contenu - déclenchement et enregistrement de la maintenance curative. Historisation par machine et par atelier. La gestion de maintenance des équipements est une nécessité pour l'obtention de l'agrément ISO.

- <u>Tracabilité ascendante et descendante du produit / Généalogie</u>

Permet de connaître à tout moment l'état de chaque batch, lot ou campagne engagés (ensemble de toutes les ressources engagées et consommées et de tous les évènements survenus). Entretien d'un historique à l'origine de la généalogie du produit fabriqué.

- Analyse des performances

Compare les résultats obtenus aux objectifs fixés par l'entreprise, les clients ou les contraintes réglementaires. Un certain nombre d'indicateurs de performance pour la production et la maintenance font l'objet de définitions quasi-normalisées.

Tout ou partie de ces fonctions peut être utile selon le type d'industrie (pharmaceutique, agroalimentaire, chimique, automobile, aéronautique, électronique...), que l'on ait à faire à une fabrication faisant appel à un procédé du type batch, continu ou manufacturier. Compte tenu du caractère modulaire des progiciels MES, leur implémentation peut être progressive.
## IV.4. MES et flux matières en production

Le système de MES couvre l'ensemble des flux matières en production. En amont, depuis les approvisionnements des matières premières en production, en aval jusqu'au stockage des produits finis.

Le système durant l'évolution de la production génère de nombreux flux d'informations en temps réels pour obtenir une « image » la plus fidèle possible de la situation dans laquelle est réellement la production. Par exemple :

- Distribution de la production à produire sur les différents postes concernés

- Situation des lots de fabrication en quantité, en qualité et situation géographique dans l'atelier

- Etat des machines et des équipements (En marche, en production, en panne...)

- Prise de postes par les opérateurs

- Déclarations automatiques des productions à l'ERP...

Architecturé avec une base de données relationnelle, le système MES va permettre, à l'aide de tableaux de bord standards au système MES ou par un outil de reporting externe, d'informer les exploitants et les cadres en production pour leur permettre de prendre les bonnes décisions. Par exemple, à l'approche d'un seuil minimum acceptable d'approvisionnement en matière première d'une ligne de fabrication, de permettre au logicien de savoir quel produit est attendu et en quelle quantité. Autre exemple, en cas de panne d'une machine sur une ligne de fabrication, de savoir sur quelle autre machine il est possible de rediriger la fabrication concernée.

## IV.5 Intégration du système d'information industriel MES dans le système d'information global de l'entreprise ERP

La démarche de mise en place d'un système de MES est généralement initié lors d'un schéma directeur informatique d'entreprise. Les fonctions du système, les budgets nécessaires, la planification du développement et de la mise en service doivent être abordés de préférence dans une projection à long terme. Idéalement, réfléchir à la mise en place d'un MES doit se faire en même temps ou immédiatement après le changement d'un système ERP ou GPAO.
La pré-étude permet ensuite de définir avec les futurs utilisateurs les fonctions et les exigences du futur système MES. A la fin de cette pré-étude, le choix d'un système auprès d'un éditeur peut être envisagé pour choisir sa solution.

Une fois la solution choisie, pour le développement et pour le déploiement, il est préférable d'agir de façon itérative en priorisant les fonctions à déployer. Cette démarche vise à diminuer l'impact organisationnel et la conduite du changement qui sont absolument primordiaux et facteurs clés de succès dans le déploiement de ce type de SI.

Un système de MES n'est jamais seul dans un système d'information global. Il est prioritairement interfacé avec un système de type ERP ou GPAO. Cette interface permet généralement au système MES d'obtenir les caractéristiques des ressources et des processus de fabrication ainsi que le plan de charge planifié à produire (Ordres de fabrication). En retour, le système MES fourni à l'ERP les déclarations intermédiaires ou finales de production des ordres de fabrication. Il peut aussi, par exemple, renvoyer les résultats « qualité » d'échantillons de produits analysés.

Un système MES a aussi généralement la capacité à échanger des données « temps réel » avec des équipements automatisés de type automates programmables ou systèmes numériques de contrôle commande (SNCC). En effet et par exemple, il peut être intéressant de relever des données de température, de pression, de débit lors de la production d'un lot sur un four pour connaître les conditions exactes de fabrication.

La principale problématique d'intégration des systèmes d'information de type MES est de s'assurer qu'il n'y a pas redondance des données de fabrication entre le système ERP et le système MES. En effet, beaucoup d'informations nécessaires au fonctionnement d'un MES sont souvent détenues par l'ERP (gammes, nomenclatures, définition des tests « qualité »...). Il faut alors arbitrer entre la duplication de ces données dans les deux systèmes avec les risques d'incohérences associés ou bien définir les interfaces entre les systèmes. Globalement, les solutions de MES sur le marché proposent l'ensemble des connecteurs techniques accessibles (Fichiers structurés de type XML, Web Services, base de données, OPC pour les automates programmables...) pour simplifier la mise en œuvre d'interfaces avec d'autres systèmes.
V.6 CONCLUSION

L'industrie est aujourd'hui globalisée et de nombreuses multinationales opèrent de par le monde.

La stratégie qui prévalait de choisir et de déployer des applications industrielles hétérogènes par équipement, par ligne ou par site n'est plus la stratégie la plus pertinente dans ce contexte et les offreurs proposent au marché des alternatives.

Ces nouvelles solutions permettent d'envisager le déploiement d'un Système d'Information Industriel global et homogène, étape par étape sur l'ensemble d'un parc industriel.

Pour réussir l'urbanisation du système d'information industriel, il est nécessaire de définir ou redéfinir une vision commune dans l'entreprise concernant les données métiers, les indicateurs de performances et les processus de fabrication et de gestion des exceptions. Ce travail préalable est en soi porteur d'amélioration dans l'entreprise mais la construction d'un Système d'Information Industriel sur ces bases permet d'élargir ces améliorations à de nombreux domaines.

En effet, la collecte et la distribution de données qui vont pouvoir être organisées grâce au Système d'Information Industriel permet en premier lieu une amélioration des performances de la fabrication elle-même. En effet, l'entreprise dispose alors d'une visibilité temps réel sur les opérations, autorisant une forte réactivité. Par ailleurs, l'analyse des données collectées permet d'identifier des gisements d'optimisation des processus pour améliorer la productivité et la qualité.

Mais un Système d'Information Industriel se conçoit comme une brique de liaison entre les opérations de production et les activités opérationnelles gérées par l'ERP. Les données de fabrication peuvent alors être propagées sur l'ensemble du Système d'Information de l'entreprise pour disposer par exemple de prix de revient industriels comparables entre les sites, d'information temps réel sur la situation des stocks pour répondre aux demandes clients, etc.

FIN