# COURS D' AUTOMATIQUE

Djamba Tunda-Olembe

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Djamba Tunda-Olembe. COURS D' AUTOMATIQUE. Licence. Cours d' Automatique, Lubumbashi, Congo-Kinshasa. 2023, pp.190. hal-04884309

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>
REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO

ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE
UNIVERSITE PROTESTANTE DE LUBUMBSHI

COURS D'AUTOMATIQUE

(BAC3 RT ET ISI)

PAR : MASTER ING CIVIL TUNDA OLEMBE

ANNEE 2018
# PRESENTATION DU COURS D'AUTOMATIQUE

**FACULTE :** SCIENCES INFORMATIQUES

**PROMOTION :** BAC3 RT et ISI

**INTITULE :** AUTOMATIQUE

**VOLUME :** HEURES

**TITULAIRE :** 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 ordinateurs industriels et des réseaux locaux industriels. C'est pourquoi le but principal du cours d'Automatique 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. A cela, il faut un but secondaire d'initier les étudiants à l'Internet industriel, au système d'information industriel et à la supervision industrielle.

## III. OBJECTIFS DU COURS

a) Objectifs généraux :

1. L'étudiant doit comprendre et maitriser les concepts et la terminologie en automatique;

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 et maitriser les méthodes de représentation symbolique en automation et régulation ;

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

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

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 œuvre un automate programmable industriel ;
3. L'étudiant doit être capable de lire et d'interpréter un schéma d'automation et instrumentation ;

4. L'étudiant doit être capable d'analyser un réseau local industriel ;

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

#### IV. METHODE DE COMMUNICATION

1. Cours théorique orienté vers la pratique ;

2. Organisation TD et TP ;

3. Autoformation.

4. 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'Automatique ;

- Chapitre 2 : Les systèmes automatisés linéaires et logiques ;

- Chapitre 3 : Les automates programmables industriels ;

- Chapitre 4 : Automation et instrumentation ;

- Chapitre 5 : Introduction aux réseaux des locaux industriels et à l'Internet industriel ;

- Chapitre 6 : Système d'information industriel et la supervision industrielle.

### 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'AUTOMATIQUE

## I.1 INTRODUCTION A L'AUTOMATIQUE

### I.1.1 GENERALITES SUR L'AUTOMATIQUE

#### I.1.1.1 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>
## ROBOTIQUE INDUSTRIELLE

La robotique crée des machines capables d'accomplir des travaux déterminés. Dotées de capteurs et susceptibles de réagir à leur environnement grâce à leur intelligence informatique, elles peuvent disposer d'une certaine autonomie de calcul, de mouvement et d'action.

Le robot n'a pas forcément l'allure humanoïde, il peut prendre toutes les apparences voir n'être qu'une créature virtuelle de pur logiciel. Toutes les tâches répétitives intellectuelles ou manuelles seront à sa portée.

Le robot deviendra le troisième achat le plus important du foyer après la maison et l'automobile. La robotique est probablement l'équivalent industriel dans ce siècle de l'automobile au siècle dernier.

Pour les entreprises, le robot constitue une source d'économies certaines. La meilleure efficacité résultant de la combinaison entre robots et humains.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>TOP 10 COUNTRIES BY ROBOT DENSITY
(Industrial robots per 10 000 manufacturing workers)</figcaption></figure>

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

Les robots industriels

Quelques images

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

FANUC

ABB

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# Robot

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

## Robotique médicale

### Contexte et motivation

* ✓ Pontage coronaire est un geste très délicat

* ✓ **Solution classique 1** : grandes incisions au thorax

- arrêter le cœur

- utiliser une machine cœur-poumon

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

### Inconvénients :

* ✗ Risques de complications opératoires

* ✗ Effets secondaires indésirables

* ✗ Douleurs importantes

* ✗ Temps de récupération long

<figure><img src="image_16.png" /></figure>
## Contexte et motivation

* ✓ Pontage coronaire est un geste très délicat

* ✓ **Solution classique 1** : grandes incisions au thorax

- arrêter le cœur

- utiliser une machine cœur-poumon

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

## Inconvénients :

* ☑ Risques de complications opératoires

* ☑ Effets secondaires indésirables

* ☑ Douleurs importantes

* ☑ Temps de récupération long

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

# 'Chirurgie cardiaque mini-invasive'

## Contexte et motivation

## Avantages :

* ✓ Traumatisme réduit

* ✓ Temps de récupération moins long

* ✓ Cicatrices plus petites

MAIS

* ☑ Le chirurgien doit travailler sur un cœur battant

* ☑ Compensation manuelle des mouvements physiologiques (très fatigante)

* ☑ Nécessite beaucoup de concentration / précision

* ☑ Mobilité réduite

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

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

## Meilleur Solution

**Chirurgie mini-invasive robotisée**
* Compensation des mouvements physiologique

* En chirurgie cardiaque à cœur battant

* Une architecture de commande à retour d'effort

* Application à un robot SCARA à 5ddl

* Implémentation en simulation / en temps réel

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

Test de faisabilité

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

## Solution proposée

### Architecture de commande adaptative à retour d'effort

Comporte **deux boucles** de commande

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

Une **boucle de commande interne** à base d'un retour d'état non linéaire

Une **boucle de commande externe** à base d'un contrôleur linéaire

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

Deux variantes selon le contrôleur linéaire choisi

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

Une architecture de commande à base d'un contrôleur adaptatif MRAC

Une architecture de commande à base d'un contrôleur PID
## Solution proposée (Première variante)
Architecture de commande adaptative à retour d'effort

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

## Solution proposée (Deuxième variante)
Architecture de commande PID à retour d'effort

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

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

Contrôle d'attitude d'un satellite

- Mode normal

- Mode de contrôle d'orbite

- Mode de survie

- Mode de transition

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>FIGURE 1 – Satellite FRD5</figcaption></figure>
Commande longitudinale d'un avion civil

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

- Contrôle de la vitesse d'avancement, de la pente $γ$, de l'assiette longitudinale $θ$ et de l'altitude $h$

- $δ$ gouverne de profondeur et poussée des moteurs

- Rafales, charge variable, confort des passagers...

### I.1.1.2 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_33.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_34.png" /><figcaption>Information analogique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_35.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 **BOOL**E³, 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_36.png" /><figcaption>Entrées</figcaption></figure>

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Sorties</figcaption></figure>

### 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_38.png" /></figure>

<figure><img src="image_39.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_40.png" /></figure>

# I.1.2 INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES DE PRODUCTION SEQUENTIELS

## I.1.2.1 PRESENTATION

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.
I.1.2.2 DESCRIPTION DES PARTIES D'UN SYSTEME 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_41.png" /></figure>

<figure><img src="image_42.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.

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_43.png" /></figure>

### I.1.1.3 EXEMPLES DE SYSTEMES DE PRODUCTION AUTOMATISE SEQUENTIEL

Exemple de SAP: chaîne de palettisation.

<figure><img src="image_44.png" /></figure>
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_45.png" /></figure>

I.1.3 INTRODUCTION AUX AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

1- PRESENTATION

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_46.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_47.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_48.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_49.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_50.png" /><figcaption>Figure 4.5 : Fonctionnement cyclique d'un API</figcaption></figure>

Le processeur exécute alors le programme instruction par instruction en
rangeant à chaque fois les résultats en mémoire. En fin de cycle les sorties
sont affectées d'un état binaire, par mise en communication avec les
mémoires correspondantes. Dans ce cas, le temps de réponse à une
variation d'état d'une entrée peut être compris entre un ou deux temps de
cycle (durée moyenne d'un temps de cycle est de 5 à 15 ms Figure 4.6).

<figure><img src="image_51.png" /></figure>
Figure 4.6 : Temps de scrutation vs Temps de réponse

Il existe d'autres modes de fonctionnement, moins courants :

- synchrone par rapport aux entrées seulement ;

- asynchrone.

# 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_52.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_53.png" /><figcaption>Figure 4.8 : Les interfaces d'entrées/sorties</figcaption></figure>

### 6.3.1- Cartes d'entrées :

Elles sont destinées à recevoir l'information en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l'unité de commande de la partie opérative.
<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>Figure 4.9: Exemple d'une carte d'entrées typique d'un API</figcaption></figure>

### 6.3.1- Cartes de sorties:

Elles sont destinées à commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système et adapter les niveaux de tensions de l'unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières

<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>Figure 4.10: Exemple d'une carte de sortie typique d'un API</figcaption></figure>

### 6.4- Exemple de cartes:

- **Cartes de comptage rapide** : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. (signal issu d'un codeur de position)

- **Cartes de commande d'axe** : Elles permettent d'assurer le
positionnement avec précision d'élément mécanique selon un ou plusieurs
axes. La carte permet par exemple de piloter un servomoteur et de recevoir
les informations de positionnement par un codeur. L'asservissement de
position pouvant être réalisé en boucle fermée.

- **Cartes d'entrées / sorties analogiques** : Elles permettent de réaliser l'acquisition d'un signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est également réalisée. Les grandeurs analogique sont normalisées : 0-10V ou 4-20mA.

- Cartes de régulation PID

- Cartes de pesage

- Cartes de communication (RS485, Ethernet ...)

- Cartes d'entrées / sorties déportées

I.1.4 INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES LINEAIRES ANALOGIQUE

I.1.4.1 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.

I.1.4.2 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.

o **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.

o **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_56.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_57.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_58.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.

### I.1.4.3 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_59.png" /><figcaption>Figure 1.4 : Système commandé</figcaption></figure>

<figure><img src="image_60.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.

#### I.1.4.4 Schéma fonctionnel général d'un système d'asservissement

<figure><img src="image_61.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).

### I.1.4.5 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.1.4.6 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_62.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_63.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% ($t_{r5%}$), 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.
I.1.4 INTRODUCTION AUX SYSTEMES AUTOMATISES LINEAIRES NUMERIQUES (OU
ASSERVISSEMENTS NUMERIQUES)

I.1.4.1 GENERALITES

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.
I.1.4.2 MISE EN ŒUVRE DES ASSERVISSEMENTS NUMERIQUES

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_64.png" /><figcaption>FIG. 1.11 – Système asservi linéaire continu.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_65.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.

### I.1.4.3 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_66.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_67.png" /></figure>

<figure><img src="image_68.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_69.png" /><figcaption>FIG. 1.24 – Signal ostensiblement sous-échantillonné.</figcaption></figure>
I.1.4.4 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_70.png" /><figcaption>FIG. 1.13 – Kit de développement sur Bus VME.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_71.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_72.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_73.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_74.png" /><figcaption>FIG. 1.17 – Régulateur "analogique" de type PID.</figcaption></figure>

## CAN

Afin de faire traiter le signal par un microprocesseur, il faut le lui rendre accessible, c'est le rôle du convertisseur analogique numérique. Plusieurs méthodes de conversion existent².

<table><thead><tr><th>Convertisseur à rampe numérique</th><th>Convertisseur à pesées successives</th><th>Convertisseur flash</th></tr></thead><tbody><tr><td>lent, précis</td><td>⇒</td><td>rapide, moins précis</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_75.png" /></figure>

<figure><img src="image_76.png" /></figure>

<figure><img src="image_77.png" /></figure>

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>FIG. 1.18 – Principes de conversion analogique numérique.</figcaption></figure>
CNA

Le convertisseur numérique analogique le plus connu est fondé sur le principe du réseau R-2R comme illustré sur la figure 1.19. Ce principe est très consommateur de surface de silicium, aussi la grande majorité des micro- contrôleurs n'en possèdent pas. Une autre méthode de conversion consiste à utiliser le principe de modulation en largeur d'impulsion (MLI, en anglais PWM). Le principe est de faire varier la valeur moyenne du signal de sortie binaire (0 - 5V) en faisant varier la largeur de l'impulsion. Un filtre RC filtrera les variations rapides, ne laissant passer que les variations lentes soit le signal désiré. Ce principe présente l'énorme avantage de ne demander qu'un bit de sortie du microcontrôleur par rapport à 16 bits pour un CNA classique!

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>FIG. 1.19 – Convertisseur numérique analogique de type réseau R-2R.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>FIG. 1.20 – Signal modulé en modulation de largeur d'impulsion avant et après filtrage haute fréquence.</figcaption></figure>
# CHAP.II LES SYSTEMES AUTOMATISES LINEAIRES ET LOGIQUES

## II.1 LES SYSTEMES AUTOMATISES LINEAIRES

### II.1.1 MODELISATION DES SYSTEMES LINEAIRES

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_81.png" /></figure>

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

$$a_n \frac{d^{(n)}s(t)}{dt^n} + \dots + a_1 \frac{ds(t)}{dt} + a_0 s(t) = b_m \frac{d^{(m)}e(t)}{dt^m} + \dots + b_1 \frac{de(t)}{dt} + b_0 e(t)$$
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 $α \neq 0$ 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_82.png" /></figure>

Structure en boucle fermée

<figure><img src="image_83.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.1.2 ANALYSE DES SYSTEMES LINEAIRES

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.

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

Réponses temporelles aux signaux tests

Réponse indicielle : e(t) = e₀u(t)

Réponse temporelle :

La transformée de LAPLACE de e(t)
est égale à E(p) = e₀/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 :

$$
S(p) = K e_0 \left( \frac{1}{p} - \frac{1}{\left(\frac{1}{\tau} + p\right)} \right)
$$
En déterminant la fonction originale de S(p), on en déduit la réponse indicielle d'un système du premier

$$
ordre : \quad s(t) = K \cdot e_0 \cdot \left(1 - e^{-\frac{t}{\tau}}\right) \cdot u(t)
$$

Propriétés remarquables :

* La valeur à convergence vaut : $\lim_{t \to \infty} s(t) = K \cdot e_0$

- 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 $\frac{K \cdot e_0}{\tau}$

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, ξ : coefficient d'amortissement,
ω₀ : pulsation propre non amortie du système.

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

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) (Δ = $\frac{4}{\omega_0^2}$ (ζ^2 - 1)). H(p) possède :

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

Réponse indicielle : $e(t) = e_0 u(t)$

Régime pseudopériodique (0 < ξ < 1)

$$
s(t) = K e_0 \left[ 1 - e^{-\omega_0 \xi t} \left( \cos(\sqrt{1-\xi^2} \omega_0 t) + \frac{\xi}{\sqrt{1-\xi^2}} \sin(\sqrt{1-\xi^2} \omega_0 t) \right) \right] u(t)
$$
<figure><img src="image_84.png" /></figure>

<figure><img src="image_85.png" /></figure>
<figure><img src="image_86.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 kème 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 kème 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_87.png" /></figure>

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

### Propriétés :

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

$$
La \text{transmittance } H(p) \text{ s'écrit donc sous la forme : } H(p) = \frac{K\omega_0^2}{\left(p + \frac{1}{T_1}\right)\left(p + \frac{1}{T_2}\right)}
$$

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

<figure><img src="image_88.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_89.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_ω et une phase φ_ω fonctions de la pulsation :

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

Pour chaque valeur de ω, on va définir les deux quantités suivantes :

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

$$\text{la phase } \phi_{\omega}$$

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

<figure><img src="image_90.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 jω, cette fonction de transfert s'écrit :

H(jω) est un nombre complexe :

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

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

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

## 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(jω), 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_91.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

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

Propriétés et tracé de la courbe asymptotique : **Pour $0<\xi<1$**

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 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_92.png" /></figure>

Pour $\xi>1$

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

$$H(j \omega) = \frac{K}{[1 + j T_1 \omega] [1 + j T_2 \omega]}$$

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_93.png" /></figure>

# 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_94.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 : $\mathcal{L}(t) = \mathcal{L}^{-1}(F(p))$

# 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 :

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

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 $t = \infty$) sans calculer la transformée de Laplace inverse de $F(p)$, vous pouvez utiliser les théorèmes suivants :

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

Théorèmes valables dans la mesure où la limite existe

## Retard

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

# 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 :

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

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_95.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>

<figure><img src="image_96.png" /></figure>

<figure><img src="image_97.png" /></figure>
## II.2 LES SYSTEMES AUTOMATISES LOGIQUES

### II.2.1 LES FAMILLES DES CONSTITUANTS D'AUTOMATISME

<figure><img src="image_98.png" /></figure>

### II.2.2 FONCTIONS TRAITEMENTS DE DONNEES

<figure><img src="image_99.png" /></figure>
## Logique programmée vs Logique câblée

<figure><img src="image_100.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></ul><ul><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.2.2 EXEMPLE DE LA LOGIQUE CABLEE

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

### Commander 2 pompes de remplissage d'un réservoir de sorte que:

1. Quand la cuve est pleine (Sh=1 et Sb=1), aucune pompe ne fonctionne.

2. Quand la cuve est vide (Sh=0 et Sb=0), les 2 pompes fonctionnent

3. Quand le cuve est à moitié vide (ou pleine..) (Sh=0 et Sb=1), une seule pompe fonctionne. Le choix se fait à l'aide d'un commutateur C=1 alors le pompe M1 fonctionne.

Il vient intuitivement

$$ \begin{cases} KM1 = \overline{Sh} \cdot \overline{Sb} + C \cdot \overline{Sh} \\ KM2 = \overline{Sh} \cdot \overline{Sb} + C \cdot \overline{Sh} \end{cases} $$

$$ \begin{cases} KM1 = \overline{Sh} \cdot (\overline{Sb} + C) \\ KM2 = \overline{Sh} \cdot (\overline{Sb} + C) \end{cases} $$
Logique programmée vs Logique câblée: Schéma de puissance de l'installation

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

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

<figure><img src="image_103.png" /></figure>
<figure><img src="image_104.png" /></figure>

## II.2. 3 ELEMENTS DE LA LOGIQUE CABLEE ET DE LA LOGIQUE PROGRAMMEE

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

<figure><img src="image_105.png" /></figure>
# Fonction Mémoire en logique câblée

Schéma important: A comprendre et à retenir

<figure><img src="image_106.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

$$KA1=\overline{S1} \Box (S2+KA1)$$

## Les relais temporisés

<table><thead><tr><th rowspan="2">Contacts temporisés</th><th rowspan="2">Contact à fermeture</th><th>Action retardée</th><th>Relâchement retardé</th></tr><tr><th>E 1<br>S 1<br>t</th><th>A1<br>-KA1<br>A2</th><th>E 1<br>S 1<br>t</th><th>A1<br>-KA1<br>A2</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>ouverture</td><td>E 1<br>S 1<br>t</td><td>A1<br>-KA1<br>A2</td><td>E 1<br>S 1<br>t</td><td>A1<br>-KA1<br>A2</td></tr></tbody></table>
# Pré-actionneurs électriques: les contacteurs

## • aspect fonctionnel

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

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

## • Principe: électromagnétique

### • Symbole:

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

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

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

# Pré-actionneurs électriques: les contacteurs

## • aspect fonctionnel

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

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

## • Principe: électromagnétique

### • Symbole:

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

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

**Contacteur au travail**
La bobine est alimentée
Les contacts sont en position travail
Exemple de circuit de puissance d'un actionneur électrique

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

II.2. 3 PRINCIPES DE LA LOGIQUE CABLEE

On traduit le fonctionnement souhaité de l'installation par des équations booléennes.

$$
\text{Exemple: } KM1 = Q1 \cdot \overline{F2} \cdot \overline{S2} \cdot KM2(T) \cdot [S1 + KM1]
$$

<figure><img src="image_114.png" /></figure>

Les équations combinatoires se réalisent en langages à contact câblés

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

Les équations séquentielles se réalisent à partir du schéma classique de
la mémoire à relais

<figure><img src="image_116.png" /></figure>

Les temporisations se réalisent à l'aide de relais temporisés
Le langage à contacts

• Opérateur logique

ET

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

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

$S = a \bullet b$

S égal a ET b

<figure><img src="image_119.png" /></figure>

2 contacts en série

• Opérateur logique

OU

<figure><img src="image_120.png" /></figure>

<figure><img src="image_121.png" /></figure>

$S = a + b$

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

2 contacts en parallèle

• Opérateur logique

INHIBITION

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

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

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

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

2 contacts en série

• Opérateur logique NAND (NON ET)

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

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

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

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

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

NON

$S = \frac{\downarrow}{\text{ET}} a \bullet b$

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

Fonction ET

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

Fonction
NON
Synoptique d'une installation automatisée

<figure><img src="image_130.png" /></figure>
# CHAP.III LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

## Les Automates Programmables Industriels (API)

### 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_131.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_132.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_133.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_134.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_135.png" /><figcaption>Figure 4.5 : Fonctionnement cyclique d'un API</figcaption></figure>

Le processeur exécute alors le programme instruction par instruction en
rangeant à chaque fois les résultats en mémoire. En fin de cycle les sorties
sont affectées d'un état binaire, par mise en communication avec les
mémoires correspondantes. Dans ce cas, le temps de réponse à une
variation d'état d'une entrée peut être compris entre un ou deux temps de
cycle (durée moyenne d'un temps de cycle est de 5 à 15 ms Figure 4.6).

<figure><img src="image_136.png" /></figure>
Figure 4.6 : Temps de scrutation vs Temps de réponse

Il existe d'autres modes de fonctionnement, moins courants :

- synchrone par rapport aux entrées seulement ;

- asynchrone.

# 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_137.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_138.png" /><figcaption>Figure 4.8 : Les interfaces d'entrées/sorties</figcaption></figure>

### 6.3.1- Cartes d'entrées :

Elles sont destinées à recevoir l'information en provenance des capteurs et adapter le signal en le mettant en forme, en éliminant les parasites et en isolant électriquement l'unité de commande de la partie opérative.
<figure><img src="image_139.png" /><figcaption>Figure 4.9: Exemple d'une carte d'entrées typique d'un API</figcaption></figure>

### 6.3.1- Cartes de sorties:

Elles sont destinées à commander les pré-actionneurs et éléments des signalisations du système et adapter les niveaux de tensions de l'unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières

<figure><img src="image_140.png" /><figcaption>Figure 4.10: Exemple d'une carte de sortie typique d'un API</figcaption></figure>

### 6.4- Exemple de cartes:

- **Cartes de comptage rapide** : elles permettent d'acquérir des informations de fréquences élevées incompatibles avec le temps de traitement de l'automate. (signal issu d'un codeur de position)

- **Cartes de commande d'axe** : Elles permettent d'assurer le
positionnement avec précision d'élément mécanique selon un ou plusieurs
axes. La carte permet par exemple de piloter un servomoteur et de recevoir
les informations de positionnement par un codeur. L'asservissement de
position pouvant être réalisé en boucle fermée.

- **Cartes d'entrées / sorties analogiques** : Elles permettent de réaliser l'acquisition d'un signal analogique et sa conversion numérique (CAN) indispensable pour assurer un traitement par le microprocesseur. La fonction inverse (sortie analogique) est également réalisée. Les grandeurs analogique sont normalisées : 0-10V ou 4-20mA.

- Cartes de régulation PID

- Cartes de pesage

- Cartes de communication (RS485, Ethernet ...)

- Cartes d'entrées / sorties déportées

6.5- L'alimentation électrique :

Tous les automates actuels sont équipés d'une alimentation 240 V 50/60 Hz, 24 V DC. Les entrées sont en 24 V DC et une mise à la terre doit également être prévue.

7- Jeu d'instructions :

Le processeur peut exécuter un certain nombre d'opérations logiques;
l'ensemble des instructions booléennes des instructions complémentaires
de gestion de programme (saut, mémorisation, adressage ...) constitue un
jeu d'instructions.

Chaque automate possède son propre jeux d'instructions. Mais par contre,
les constructeurs proposent tous une interface logicielle de programmation
répondant à la norme CEI1131-3. Cette norme définit cinq langages de
programmation utilisables, qui sont :

- Les langages graphiques :

• **LD** : Ladder Diagram ( Diagrammes échelle )

• FBD : Function Block Diagram ( Logigrammes )

• SFC : Sequential Function Chart ( Grafcet)

- Les langages textuels :

• **IL** : Instruction List (Liste d'instructions).

• ST : Structured Text (Texte structuré).

Le langage à relais (Ladder Diagram) est basé sur un symbolisme très
proche de celui utilisé pour les schémas de câblage classiques. Les
symboles les plus utilisés sont donnés au tableau suivant :
<table><caption>Figure 4.11: Symboles usuels en langages LD</caption><thead><tr><th rowspan="2">Fonction</th><th colspan="2">Symbole</th></tr><tr><th>Européen</th><th>Américain</th></tr></thead><tbody><tr><td>Contact ouvert au ropos</td><td>---o o---</td><td>---|-</td></tr><tr><td>Contact fermé au ropos</td><td>---o o---</td><td>---H-</td></tr><tr><td>Début de branchement</td><td>---|</td><td>---|</td></tr><tr><td>Fin de branchement</td><td>---|</td><td>---|</td></tr><tr><td>Affectation</td><td>---( )---</td><td>---( )</td></tr></tbody></table>

## 8- Sécurité :

Les systèmes automatisés sont, par nature, source de nombreux dangers (tensions utilisées, déplacements mécaniques, jets de matière sous pression ...).

Placé au coeur du système automatisé, l'automate se doit d'être un élément fiable car un dysfonctionnement de celui-ci pourrait avoir de graves répercussions sur la sécurité des personnes, de plus les coûts de réparation et un arrêt de la production peuvent avoir de lourdes conséquences sur le plan financier.

Aussi, l'automate fait l'objet de nombreuses dispositions pour assurer la sécurité :

- **Contraintes extérieures** : l'automate est conçu pour supporter les différentes contraintes du monde industriel et à fait l'objet de nombreux tests normalisés.

- **Coupures d'alimentation** : l'automate est conçu pour supporter les coupures d'alimentation et permet, par programme, d'assurer un fonctionnement correct lors de la réalimentation (reprises à froid ou à chaud)

- **Mode RUN/STOP** : Seul un technicien peut mettre en marche ou arrêter un automate et la remise en marche se fait par une procédure d'initialisation (programmée)

- **Contrôles cycliques** :

- Procédures d'autocontrôle des mémoires, de l'horloges, de la batterie, de la tensions d'alimentation et des entrées / sorties

- Vérification du temps de scrutation à chaque cycle appelée **Watchdog** (chien de garde), et enclenchement d'une procédure d'alarme en cas de dépassement de celui-ci (réglé par l'utilisateur)
- Visualisation : Les automates offrent un écran de visualisation où l'on peut voir l'évolution des entrées / sorties

Les normes interdisent la gestion des arrêts d'urgence par l'automate ; celle-ci doit être réalisée en technologie câblée.

# 8- Réseaux d'automates

## 8.1- Principe

Avec le développement des systèmes automatisés et de l'électronique, la recherche de la baisse des coûts et la nécessité actuelle de pouvoir gérer au mieux la production et a partir du moment où tous les équipements sont de type informatique, il devient intéressant de les interconnecter à un mini-ordinateur ou à un automate de supervision (Figure 4.12).

<figure><img src="image_141.png" /><figcaption>Figure 4.12: Exemple d'une structure de contrôle et gestion de production</figcaption></figure>

L'interconnexion entre deux automates peut être réalisée très simplement en reliant une ou plusieurs sorties d'un automate à des entrées de l'autre et vice-versa (Figure 4.13).
<figure><img src="image_142.png" /><figcaption>Figure 4.13: Interconnexion simple (Entrées/Sorties) entre deux automates (API)</figcaption></figure>

Cette méthode ne permet pas de transférer directement des variables internes d'un automate sur l'autre, de sorte que celles-ci doivent être converties par programme en variables de sortie avant leur transfert. Elle devient coûteuse en nombre d'entrées/sorties mobilisé pour cet usage et lourde du point de vue du câblage, lorsque le nombre de variables qui doivent être échangées devient important.

## 8.2- Bus de terrain

Pour diminuer les coûts de câblage des entrées / sorties des automates, sont apparus les bus de terrains. L'utilisation de blocs d'entrées / sorties déportés à permis tout d'abord de répondre à cette exigence.

Les interfaces d'entrées/sorties sont déportées au plus près des capteurs. Avec le développement technologique, les capteurs, détecteurs ... sont devenus intelligents" et ont permis de se connecter directement à un bus.
<figure><img src="image_143.png" /><figcaption>Figure 4.14: Interconnexion par entrées/sorties déportées</figcaption></figure>

Plusieurs protocoles de communication et des standards sont apparus pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs / préactionneurs aprŁs exemple le bus ASi (Actuators Sensors interface) est un bus de capteurs/actionneurs de type Maître / Esclave qui permet de raccorder 31 esclaves (capteurs ou préactionneurs) sur un câble spécifique (deux fils) transportant les données et la puissance.

Ce bus est totalement standardisé et permet d'utiliser des technologies de
plusieurs constructeurs

Avantages des bus de terrain :

* Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant

- Réduction des coûts de maintenance

Inconvénients des bus de terrain :

- Taille du réseau limitée

- Latence dans les applications à temps critique

- Coût global

**8.3- Différents types de réseaux d'automates :**

8.3.1- Réseau en étoile :

Un centre de traitement commun échange avec chacune des autres
stations. Deux stations ne peuvent pas échanger directement entre elles
(Figure 4.15). Exemple le réseau de terrain BITBUS de la société INTEL

Avantages :
* Grande vitesse d'échange.

* Différent types de supports de transmission.

* Pas de gestion d'accès au support.

### Inconvénients :

* Coût global élevé.

* Evolutions limitées.

* Tout repose sur la station centrale.

<figure><img src="image_144.png" /><figcaption>Figure 4.15: Interconnexion par entrées/sorties déportées</figcaption></figure>

### 8.3.2- Réseau en anneau :

Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution est intéressante lorsqu'une station doit recevoir des informations de la station précédente ou en transmettre vers la suivante (Figure 4.16).

<figure><img src="image_145.png" /><figcaption>Figure 4.16: Topologie Anneau</figcaption></figure>

### Avantages :

* Signal régénéré donc fiable.

* Contrôle facile des échanges (le message revient à l'émetteur).

### Inconvénients :

* Chaque station est bloquante.
* Une extension interrompe momentanément le réseau.

### 8.3.3- Réseau hiérarchisé :

C'est la forme de réseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d'utilisation, les informations pouvant circuler entre-stations d'un même niveau ou circuler de la station la plus évoluée (en général un calculateur) vers la plus simple, et réciproquement (Figure 4.17).

<figure><img src="image_146.png" /><figcaption>Figure 4.17: Réseau hiérarchisé</figcaption></figure>

## 9- Critères de choix d'un automate

Le choix d'un automate programmable est généralement basé sur :

- Nombre d'entrées / sorties : le nombre de cartes peut avoir une incidence sur le nombre de racks dès que le nombre d'entrées / sorties nécessaires devient élevé.

- Type de processeur : la taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur permettront le choix dans la gamme souvent très étendue.

- Fonctions ou modules spéciaux : certaines cartes (commande d'axe, pesage ...) permettront de "soulager" le processeur et devront offrir les caractéristiques souhaitées (résolution, ...).

- Fonctions de communication : l'automate doit pouvoir communiquer avec
les autres systèmes de commande (API, supervision ...) et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (Profibus ...).

# 10- Mise en œuvre et diagnostic d'un API :

## 10.1: Vérification du fonctionnement

Lors de sa première mise en œuvre il faut réaliser la mise au point du système.

- Prendre connaissance du système (dossier technique, des GRAFCETS et du GEMMA, affectation des entrées / sorties, Les schémas de commande et de puissance des entrées et des sorties).

- Lancer l'exécution du programme (RUN ou MARCHE)

- Visualiser l'état des GRAFCET, des variables...

Il existe deux façons de vérifier le fonctionnement :

- En simulation (sans Partie Opérative).

- En condition réelle (avec Partie Opérative).

<table><thead><tr><td>Simulation sans Partie opérative</td><td>Simulation avec Partie opérative (Conditions réelles)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Le fonctionnement sera vérifié en simulant le comportement de la Partie Opérative, c'est à dire l'état des capteurs, en validant uniquement des entrées.<br/>- Valider les entrées correspondant à l'état initial (position) de la Partie Opérative.<br/>- Valider les entrées correspondant aux conditions demarche du cycle.<br/>- Vérifier l'évolution des grafcets (étapes actives).<br/>- Vérifier les ordres émis (Leds de sorties).<br/>- Modifier l'état des entrées en fonction des ordres émis (état transitoire de la P.O.).<br/>- Modifier l'état des entrées en fonction des ordres émis (état final de la P.O.).<br/>Toutes les évolutions du GEMMA et des grafcets doivent être vérifiées.</td><td>Le fonctionnement sera vérifié en suivant le comportement de la P.O.<br/>- Positionner la P.O. dans sa position initiale.<br/>- Valider les conditions de marche du cycle.<br/>- Vérifier l'évolution des grafcets et le comportement de la P.O.<br/>Toutes les évolutions du GEMMA et des grafcets doivent être vérifiées.</td></tr></tbody></table>
## 10.2 : Recherche des dysfonctionnements

Un dysfonctionnement peut avoir pour origine :

- Un composant mécanique défaillant (préactionneur, actionneur, détecteur,...).

- Un câblage incorrect ou défaillant (entrées, sorties).

- Un composant électrique ou électronique défectueux (interface d'entrée ou de sortie).

- Une erreur de programmation (affectation d'entrées-sorties, ou d'écriture).

- Un système non initialisé (étape, conditions initiales...).

- ......

**Méthode de recherche de pannes:**

**Méthode de recherche de pannes:**
<figure><img src="image_147.png" /><figcaption>Figure 4.17: Méthode de recherche de pannes et Diagnostic d'un API</figcaption></figure>
## Méthode de vérification du câblage d'une entrée à masse commune :

vérification se réalise à l'aide d'un voltmètre-ohmètre et d'un shunt eau de fil électrique).

<figure><img src="image_148.png" /></figure>
<figure><img src="image_149.png" /></figure>
# 11- Principaux automates programmables industriels :

La programmation de ces automates se fait soit à partir de leur propre console, soit à partir du logiciel de programmation propre à la marque.

## OMRON :

- **CQM1 - CPU 11/21/41**

- E-192 Entrées/Sorties (à relais, à triac, à transistors ou TTL);

- 32 K RAM data on Board;

- structure multifonction;

- structuration multitâche;

- SYSWIN 3.1, 3.2 ... 3.4 et CX_Programmer (Littéral, Ladder);

- comunication sur RS 232 - C;

- programmation sur IBM PC/PS.

## TELEMECANIQUE :

- **TSX 17/20 :**

- Nombre d'entrées et de sorties variable : 20 à 160 E/S.

- microprocesseur 8031.

- langage de programmation PL7.2.

- **TSX 67.20 :** La compacité d'un automate haut de gamme, à E/S déportables par fibre optique:

- 1024 E/S en six bacs de huit modules;

- extension de bacs à distance par fibre optique à 2000 m;

- 16 coupleurs intelligents;

- 24 K RAM data on Board;

- 32 K RAM / EPROM cartouche utilisateur;

- structure multifonctions;

- structuration multitâche;

- langage PL7.3 (Grafcet, Littéral, Ladder);

- programmation sur IBM PC/PS.

- **FESTO :** Architecture modulaire : carte de base; carte processeur; carte de mémorisation; carte E/S.

- FPC 202 :

- 16 entrées 24 V DC;

- 16 sorties 24 V DC - 1 A;

- 8 K RAM, 8 K EPROM;

- interface série, 20 mA boucle de courant pour imprimante;

- console de programmation externe : console ou IBM PC;

- programmation : grafcet, langage Festo, schéma à relais.
## SIEMENS:

* S7-200.

* 64 entrées 24 V DC;

* 64 sorties 24 V DC - 1 A;

* 8 Entrées anlogiques AEW0

* AEW14 ; - 8 Sorties anlogiques AAW0

* AAW6 ; - interface série,

* console de programmation externe : PG 702;

programmation STEP7: schéma à relais, Ladder.
# CHAP.IV AUTOMATION ET REGULATION

## VOIR LES ANNEXES
# CHAP.V INTRODUCTION AUX RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS ET A L'INTERNET INDUSTRIEL

## V.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_150.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_151.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_152.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.

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

### V.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_153.png" /></figure>

<figure><img src="image_154.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; ......
## V.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_155.png" /></figure>

Pour 1seul 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_156.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.

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

<figure><img src="image_157.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_158.png" /></figure>

## Les câbles ASI.

Le câble plat AS-i auto cicatrisant :

<figure><img src="image_159.png" /></figure>

- Détrompage mécanique, ambiance normale,

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

- mise en oeuvre rapide.

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

- Installation simple au plus près des capteurs / actionneurs.

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

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

- 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 :

<figure><img src="image_163.png" /></figure>

- Réduction des borniers intermédiaires.

<figure><img src="image_164.png" /></figure>

- Installation rapide et sans interruption du câble.

<figure><img src="image_165.png" /></figure>
Un exemple : l'automate TSX37, équipé d'un module maître ASI, échange des données avec les périphériques esclaves repérés par leur adresse.

<figure><img src="image_166.png" /></figure>

On retrouve ci-dessus les équipements minima :

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

* Un automate avec le coupleur maître ASI

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

* Un module d'alimentation

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

* Des périphériques

Les services du coupleur maître TSXSAZ10 :

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

* Paramétrage des esclaves (Catalogue de produits =S=

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

* Adressage géographique des E/S dans le programme

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

* Téléchargement, contrôle et gestion des profils

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

* Visualisation des voies E/S et des équipements (présents, absents ou défectueux)

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

* Adressage automatique des équipements au fur et à mesure de leur connexion

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

* Réadressage automatique des équipements remplacés

Le support de transmission peut être soit un câble standard de 2,5 à 3,5 mm², soit le câble spécial de couleur jaune qui présente l'avantage de permettre un raccordement immédiat avec détrompage de la polarité par technique de clipsage.

Le support sert à véhiculer, non seulement les données utiles, mais également l'alimentation 24V/2A des capteurs/actionneurs (100 mA maxi par module).

# V.3 BUS ET RESEAUX DE TERRAIN

## V.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_176.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_177.png" /></figure>

<figure><img src="image_178.png" /></figure>

Bus de terrain
Capteurs

Câblage traditionnel

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

<figure><img src="image_180.png" /></figure>

Bus de terrain

<figure><img src="image_181.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_182.png" /></figure>

# Profibus-DP: spécificités

<figure><img src="image_183.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_184.png" /></figure>

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

#### V.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.

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

- Nature d'information échangé : messages ;

- Débit : quelques kbits / seconde ;

- Distance : maximum 10000 m ;

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

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

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

#### Architectures centralisées
Mise en œuvre pratique

<figure><img src="image_186.png" /></figure>
# Architectures décentralisées

## Schéma de principe

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

## Architectures décentralisées

### Quelques technologies utilisées comme bus de terrain

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

# Architectures centralisées et décentralisées

## Comparaison en pratique

<figure><img src="image_189.png" /></figure>
# V.4 RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS : NIVEAU 3 (SYSTEME NUMERIQUE DE CONTROLE ET COMMANDE SNCC)

## V.4.1 EVOLUTION DE LA REGULATION PNEUMATIQUE AU SNCC

### Années 1970-1985

<figure><img src="image_190.png" /><figcaption>De la régulation pneumatique ...</figcaption></figure>

<figure><img src="image_191.png" /><figcaption>A la régulation électronique ...</figcaption></figure>

<figure><img src="image_192.png" /><figcaption>Puis à la régulation informatique!</figcaption></figure>

### Années 1970-1985

#### ☐ Situation en place

* Tableaux de contrôle au plus près des équipements

* Enregistreurs papiers disséminés

* Personnel réparti sur tout le site

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

<figure><img src="image_194.png" /></figure>

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

#### ☐ Création de nouveaux besoins ← complexité du procédé

* Centralisation de l'information

* Centralisation du personnel opérationnel

* Pilotage intégré

* Vue d'ensemble de tous les processus

* Meilleure réactivité en cas d'incidents

* Simplification du diagnostic
# Système Numérique de Contrôle-Commande

## ☐ Centralisation des systèmes de régulation dans une salle de contrôle

<figure><img src="image_196.png" /></figure>

## ☐ Visualisation des informations sur des écrans

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

# Années 1985-2000 - SNCC

## ☐ Besoin de conserver l'histoire des données

* Analyse a posteriori d'incident

* Compréhension de phénomènes évanescents

## ☐ Apparition des « Data Historian » en complément des SNCC

<figure><img src="image_198.png" /></figure>

<figure><img src="image_199.png" /><figcaption>IP.21 + Aspen Process Explorer</figcaption></figure>

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

<figure><img src="image_201.png" /><figcaption>PI + Process Book</figcaption></figure>

## ☐ Intégration transverse

* Connectivité avec les différents SNCC présents sur le site

* Interface Homme-Machine orienté analyse

## ☐ Intégration temporelle

* Le passé est utilisé pour optimiser le futur

* Possibilité de corréler deux signaux
# Années 1985-2000 – API + Supervision

## ☐ Besoin de visualiser l'état des automatismes

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

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

* Connexion

* Ligne série RS-232, RS-485

* Protocoles propriétaires : Unitelway, Modbus, Sinec-L1, DH+, ...

## ☐ Pilotage visuel d'une installation de production

* Vue graphique « artistique » du procédé

* Vue d'alarmes

* Journal d'événements

PcVue

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

Panorama

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

INDUSCREEN

Top!api

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

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

Telemecanique

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

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

InTouch

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

## ☐ Matériel standard

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

# Années 1985-2000 – API + Supervision

## ☐ Supervision intégrée – un seul outil par atelier

* Montée en puissance des réseaux informatiques

* Généralisation de Ethernet TCP/IP

## ☐ Centralisation du pilotage

Pensez grand,

Démarrez petit !

<figure><img src="image_212.png" /></figure>
Années 1985-2000 : Concept d'Intégration Verticale

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

La pyramide du CIM

<figure><img src="image_214.png" /></figure>

Années 2000 : intégration verticale

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

Du CIM au MES

<figure><img src="image_216.png" /></figure>
Années 2000 : équipements communicants

☐ Automates, vannes, pompes, régulateurs, compteurs, ...

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☐ Connexion directe à partir de n'importe quel poste de travail

• Maintenance plus aisée

• Accès possible hors de l'entreprise (télé-diagnostique)

☐ Facteur de dé-intégration ?

Années 2000 : équipements communicants

☐ Automates, vannes, pompes, régulateurs, compteurs, ...

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

☐ Connexion directe à partir de n'importe quel poste de travail

• Maintenance plus aisée

• Accès possible hors de l'entreprise (télé-diagnostique)

☐ Facteur de dé-intégration ?
# Années 2010 : Mobilité

## ☐ Réseau interne WIFI, Réseau public 3G, 4G - Cloud

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

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

<figure><img src="image_221.png" /></figure>

<figure><img src="image_222.png" /></figure>

<figure><img src="image_223.png" /></figure>

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

## V.4.2 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_225.png" /></figure>

### V.4.3 ARCHITECTURE MATERIELLE SNCC

NB. SNCC= DCS

<figure><img src="image_226.png" /></figure>
Années
80
SCADA

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

RTU

Supervision
Contrôle simple

Années
90
SCADA

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

DCS
Ethernet/Protocole propriétaire
ou
type 103, MODBUS

Supervision
Protection
Automatismes
lents

Aujourd'hu

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

DCS
Ethernet/Protocole standardisé
IEC 61850

Supervision / Protection
Automatismes rapides
Ingénierie standardisée

## Différentes architectures basées sur le protocole IEC61850

Étoile

Interface Opérateur

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

Architecture simple :
en cas de défaut sur le Switch
Ethernet on perd la
communication avec tous les
calculateurs

Anneau

Interface Opérateur

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

La solution la plus répandue :
protégé contre une rupture de
communication
bon rapport qualité prix
(économie du Switch Ethernet)

Double étoile

Interface Opérateur

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

Architecture la plus sûre car
elle tolère davantage de
défaillance (excepté la perte
simultanée des 2 Switch)
<figure><img src="image_233.png" /></figure>

Un système d'automatisation moderne fourni une intégration étroite parmi différents automates et systèmes informatiques, ce qui permet une surveillance et un contrôle intégrés de l'ensemble de l'installation.

Architecture matérielle du système de supervision

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

## V.5 RESEAUX D'ENTREPRISE ET PYRAMIDE CIM : NIVEAU 4
(GESTION ENTREPRISE)

### V.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_235.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><caption>↑ Fig. 2 Les besoins et les contraintes de communication</caption><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 ilot 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>

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_236.png" /></figure>
## V.5.2 EVOLUTION DE L'ARCHITECTURE LOGICIELLE DE LA PYRAMIDE CIM

5

### Un nouveau modèle de pyramide aplanie

<figure><img src="image_237.png" /></figure>

MES Manufacturing Execution System

ERP Entreprise Ressource Planning

SCADA Superviseur

IHM Interface Homme Machine

API Automate Programmable

## V.5.3 ARCHITECTURE MATERIELLE DE LA PYRAMIDE CIM APLANIE

<figure><img src="image_238.png" /></figure>
## V.5.4 MISE EN ŒUVRE DE LA PYRAMIDE CIM

### EXEMPLE1 : SCHENEIDER ELECTRIC

<figure><img src="image_239.png" /></figure>

Les niveaux de communication retenus par Schneider Electric

Sous l'effet conjugué des contraintes des utilisateurs, des technologies et des standards, les architectures actuelles se structurent en quatre niveaux distincts et interconnectés par des réseaux (≈ Fig. 1).

<figure><img src="image_240.png" /><figcaption>1. Fig. 1 Exemple de niveaux d'architecture</figcaption></figure>
## EXEMPLE2 : SIMATIC PCS 7 DE SIEMENS

### SIMATIC PCS 7 DE SIEMENS

<figure><img src="image_241.png" /></figure>
## LEGENDE DE COULEUR DU SIMATIC PCS 7

<figure><img src="image_242.png" /></figure>

## V.6 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_243.png" /></figure>

## Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

* **Architecture de base**

<figure><img src="image_244.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_245.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_246.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_247.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_248.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)

<figure><img src="image_249.png" /></figure>

## V.7 LE RFID

<figure><img src="image_250.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_251.png" /></figure>

<figure><img src="image_252.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_253.png" /></figure>

**Accéléromètre 3 axes**
20Hz en continu
Plage:±2g,±4g, ±8g, ±16g
incertitude : ±40mg
résolution :±1mg

<figure><img src="image_254.png" /></figure>

**magnétomètre 3 axes**
2.5Hz en continu
plage:±4/±8/±12/±16
gauss
sensibilité:146 µgauss
(±4gauss)

<figure><img src="image_255.png" /></figure>

<figure><img src="image_256.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_257.png" /></figure>

**Humidité dans le sol**
résistance ohmique
0 à 100 % humidité
ne se corrode pas
câble long et fin

<figure><img src="image_258.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_259.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_260.png" /></figure>

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

<figure><img src="image_261.png" /></figure>

**Lumière ambiante :**
de 0 à 100 (résistance)
0 = Noir
100 = Lumière

<figure><img src="image_262.png" /></figure>

**Moniteur relais mécaniques**
2 Hz max
# V.8 ETHERNET INDUSTRIEL (ETHERNET EN TEMPS REEL)

## V.8.1 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_263.png" /></figure>
<figure><img src="image_264.png" /></figure>

HIRSCHMANN
A BRAND

# 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_265.png" /></figure>

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

<figure><img src="image_266.png" /></figure>

<figure><img src="image_267.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
## 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 équipes 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.

## Les principaux consortiums pour Ethernet industriel :

Voici une liste non-exhaustive des principales associations de protocoles Ethernet industriels, et des constructeurs qui participent au développement de ces standards. Bien entendu, les grands groupes de l'automatisation sont présents dans toutes les associations. Il est dans leur intérêt de connaître les technologies concurrentes et de proposer des produits pouvant s'interfacer avec des réseaux concurrents.

**ODVA (Open Devicenet Vendors Association):** 120 membres dont Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron Corporation, Eaton Electrical ou Numatics www.odva.org

**Profibus International:** 1 500 membres dont Siemens, Endress + Hauser, Harting, Phœnix Contact, CEA, CERN, Wago ou Woodhead www.profibus.com

**EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group):** 400 membres dont B&R Automation, Alstom Power, Hilscher, Lenze ou Baldor www ethernet-powerlink.org

**EtherCAT Technology Group:** Près de 700 membres dont Beckhoff, Balder, Bosch, Danaher, EADS ou Festo www.ethercat.org

**CLPA (CC-Link Partner Association):** environ un millier de membres, dont Mitsubishi Electric, Hirschmann, Festo, HMS ou Balden www.cc-link.org
<figure><img src="image_268.png" /></figure>
<figure><img src="image_269.png" /></figure>

V.8.4 ARCHITECTURE DE L'ETHERNET INDUSTRIEL ET ETHERNET STANDARD

Légende : Ethernet industriel en jaune et Ethernet standard en rouge

<figure><img src="image_270.png" /></figure>
# V.9 INTERNET INDUSTRIEL (ETHERNET TCP/IP)

## V.9.1 PRESENTATION DE L'INTERNET INDUSTRIEL (ETHERNET TCP/IP)

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 : télegestion (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.

## SIMATIC PCS 7:
System structure of the distributed system

<figure><img src="image_271.png" /></figure>
<figure><img src="image_272.png" /></figure>
## V.9.2 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_273.png" /></figure>

<figure><img src="image_274.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).
### V.9.3 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
<figure><img src="image_275.png" /></figure>

## V.9.3 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.
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## 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).
# CHAP.VI : INTRODUCTION AUX SYSTEMES D'INFORMATIONS INDUSTRIELS

## VI.1 SYSTEME D'INFORMATION ET E-BUSINESS

### VI.1.1 SYSTEME D'INFORMATION D'ENTREPRISE

#### V.1.1. Généralités sur le système d'information d'entreprise

Un **système d'information** (SI) est un ensemble organisé de ressources (matériels, logiciels, personnel, données et procédures) qui permet de collecter, regrouper, classifier, traiter et diffuser de l'information sur un environnement donné¹.

L'apport des nouvelles technologies de l'Information (NTIC) est à l'origine du regain de la notion de système d'information. L'utilisation combinée de moyens informatiques, électroniques et de procédés de télécommunication permet aujourd'hui -selon les besoins et les intentions exprimés-d'accompagner, d'automatiser et de dématérialiser quasiment toutes les opérations incluses dans les activités ou procédures d'entreprise.

Ces capacités de traitement de volumes importants de données, d'interconnexion de sites ou d'opérateurs géographiquement éloignés, expliquent qu'elles sont aujourd'hui largement utilisées (par exemple dans les activités logistiques) pour traiter et répartir l'information en temps réel, en lieu et place des moyens classiques manuels - plus lents - tels que les formulaires sur papier et le téléphone.

Ces capacités de traitement sont également fortement appréciées par le fait qu'elles renforcent le caractère « systémique » des données et traitements réalisés : la cohérence et la consolidation des activités lorsqu'elle est recherchée et bien conçue permet d'accroître la qualité du contrôle interne de la gestion des organisations, même lorsque celles-ci sont déconcentrées ou décentralisées.

Le système d'information est le véhicule de la communication dans l'organisation. Sa structure est constituée de l'ensemble des ressources (les hommes, le matériel, les logiciels) organisées pour : collecter, stocker, traiter et communiquer les informations. Le système d'information coordonne grâce à l'information les activités de l'organisation et lui permet ainsi d'atteindre ses objectifs.
Le système d'information se construit autour de processus "métier" et ses interactions, et non simplement autour de bases de données ou de logiciels informatiques. Le système d'information doit réaliser l'alignement stratégique de la stratégie d'entreprise par un management spécifique.

La gouvernance des systèmes d'information ou gouvernance informatique ( IT gouvernance) renvoie aux moyens de gestion et de régulation des systèmes d'information mis en place dans une organisation en vue d'atteindre ses objectifs ². À ce titre, la gouvernance du SI fait partie intégrante de la gouvernance de l'organisation. Les méthodes ITIL (IT infrastructure library ) et COBIT sont par exemple des supports permettant de mettre un SI sous contrôle et de le faire évoluer en fonction de la stratégie de l'organisation.

### VI.1.1.2 Composition d'un système d'information d'entreprise

Dans un système d'information d'une grande entreprise, on trouve :

* un ERP - *Enterprise Resource Planning* (en français : PGI pour progiciel de gestion intégré) - qui intègre tous les systèmes informatisés permettant de soutenir le fonctionnement de l'entreprise ;

* des systèmes appelés « spécifiques » (ou encore : non standards, de conception « maison », développés sur mesure, que l'on ne trouve pas sur le marché, ...), où l'on rencontrera davantage d'applications dans les domaines du calcul de coûts, de la facturation, de l'aide à la production, ou de fonctions annexes.

La proportion entre ERP et systèmes spécifiques est très variable d'une entreprise à l'autre. L'urbanisation traite de la cartographie des systèmes de l'entreprise et donc de son système d'information.

Dans les ERP, on trouve des modules couvrant différents domaines d'activité (comme la gestion de la production, la gestion de la relation commerciale avec la clientèle, la gestion des ressources humaines, la comptabilité, ...) autour d'une base de données commune.

Il est fréquent qu'une entreprise soit équipée de plusieurs progiciels différents selon ses domaines d'activité. Dans ce cas, les progiciels ne sont pas totalement intégrés comme dans un PGI, mais
interfacés entre eux ainsi qu'avec des applications spécifiques. On trouvera par exemple des applications de :

* **CRM - Customer Relationship Management** (en français : GRC pour Gestion de la relation client) : regroupe toutes les fonctions permettant d'intégrer les clients dans le système d'information de l'entreprise

* **XRM - eXtended Relationship Management** (en français : Gestion de la Relation Tiers) : est un système d'information d'entreprise, imaginé par Nelis XRM en 2005, dont les processus relationnels constituent le socle de l'organisation de l'information.

* **SCM - Supply Chain Management** (en français : GCL pour Gestion de la chaîne logistique) : regroupe toutes les fonctions permettant d'intégrer les fournisseurs et la logistique au système d'information de l'entreprise

* **HRM - Human Resource Management** (en français : SIRH pour la GRH)

* **PDM - Product Data Management** (en français : SGDT pour Système de gestion de données techniques) : fonctions d'aide au stockage et à la gestion des données techniques. Surtout utilisé par les bureaux d'études.

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Autres composants possibles
D'autres composants peuvent être inclus dans un système d'information pour offrir des caractéristiques techniques ou des fonctionnalités spécifiques :

* Applications métiers,

* Bases de données de l'entreprise,

* Contrôle d'accès,

* Dispositifs de sécurité,

* Infrastructure réseau,

* Postes de travail informatique,

* Accès aux réseaux Internet, Intranet ou Extranet,

* Serveurs d'application,

* Serveurs de données et systèmes de stockage,

* Système de paiement électronique,

* Système de sécurité (protection et chiffrement),

* Outils de Groupware, agendas,

* espace de partage de documents,

* échange d'informations (forums électroniques),

* gestion de contacts,

* conférence électronique (chat, vidéoconférence).

## VI.1.2 E-BUSINESS

Le e-business (pour ELECTRONIC BUSINESS) parfois traduit en affaires électroniques, et parfois traduisible par commerce électronique, correspond à une notion très vaste que l'on pourrait synthétiser par l'utilisation de moyens électroniques (particulièrement des techniques de l'information et de la communication) pour réaliser des affaires (business en anglais). Ce sont souvent les techniques de l'internet et le Web qui viennent à l'esprit, mais en fait presque toutes les techniques informatiques et de télécommunications interviennent dans le domaine des affaires électroniques. Les affaires électroniques existaient d'ailleurs bien avant l'apparition de la toile, même si celle-ci a permis une meilleure visibilité de ce domaine par le grand public. Les méthodes proposées par les affaires électroniques permettent aux entreprises de mettre en œuvre leurs processus plus efficacement et avec plus de souplesse tant en interne qu'avec les entités
extérieures. Ces méthodes permettent de travailler plus étroitement avec les fournisseurs et partenaires, dans le but de satisfaire au mieux les besoins et les attentes des clients.

En pratique, l'utilisation du commerce électronique conduit à de nouvelles sources de revenu, à l'amélioration des relations avec les clients et partenaires, et à une meilleure efficacité par l'emploi des systèmes de gestion des connaissances. Les affaires électroniques peuvent se déployer à travers le réseau Internet public, des réseaux internes (Intranet) ou externes (Extranet) privés et sécurisés, ou plus généralement tout moyen de communication électronique.

L'e-business ne se réduit pas au commerce électronique. Il couvre également tous les processus impliqués dans la chaîne de valeur : les achats électroniques (e-procurement en anglais), la gestion de la chaîne d'approvisionnement avec le traitement électronique des ordres, le service à la clientèle, et les relations avec les partenaires. Cela s'applique aux organisations traditionnelles et virtuelles. Les standards techniques propres à l'e-business facilitent les échanges de données entre les entreprises. Les solutions logicielles intégrant ces standards permettent l'intégration des processus au sein des entreprises mais aussi entre les entreprises.

Les principales catégories e-business sont :

* **B2B (Business to Business)** permet aux entreprises de faire des affaires via des moyens électroniques

* **B2C (Business to Consumer)** permet aux entreprises de vendre des biens, à travers un site web par exemple

* **C2C (Consumer to Consumer)** permet aux personnes de faire des affaires entre particulier (enchères par exemple)

* **B2E (Business to Employee)**, sous forme d'intranet par exemple, permet à l'entreprise de communiquer avec ses employées

* **G2B (Government to Business)**, permet aux gouvernements de communiquer avec les entreprises

* **G2C (Government to Consumer)**, permet aux gouvernements de communiquer avec ses concitoyens

* **A2A (Administration to Administration)**, Permet aux administrations de communiquer entre elles.
Cette liste n'est pas exhaustive, mais ce sont les catégories que l'on retrouve le plus souvent dans la littérature.

## Quelques exemples d'outils pour les affaires électroniques :

### 1. Systèmes de gestion interne :

* gestion des relations client (GRC ou CRM en anglais)

* planification des ressources de l'entreprise (PGI ou ERP en anglais)

* portail des informations relatives aux employés

* intranet

* gestion des connaissances (Knowledge Management en anglais)

* gestion des flux d'informations (Workflow Management en anglais)

* système de gestion de documents

* gestion des ressources humaines

* contrôle des procédés

* traitement des opérations internes

### 2. Systèmes de communication et de collaboration :

* système gestion de contenu

* courrier électronique

* messagerie vocale

* forum de discussion

* système de bavardage (chat en anglais)

* conférence virtuelle

* système de travail en groupe (groupware en anglais)

* EDI, systèmes permettant l'échange de données entre 2 ou plusieurs entreprises

### 3. Systèmes de commerce électronique :

* système de transfert électronique de fonds

* gestion de la chaîne d'approvisionnement
* marketing électronique

* marketing en ligne

* traitement en ligne des transactions

* commerce mobile (M-Commerce)

# VI.2 INTRODUCTION A LA SUPERVISION INDUSTRIELLE

## VI.2.1 GENERALITES

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### Supervisions et IHM : définitions

Dans l'industrie, **la supervision** est une technique de suivi et de pilotage informatique de procédés de fabrication automatisés. La supervision concerne l'acquisition de données et la modification manuelle ou automatique des paramètres de commande des processus généralement confiés à des automates programmables, des machines spéciales, des robots...

**SCADA** Supervisory Control And Data Acquisition

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**L'Interface Homme - Machine (IHM)** représente l'interface informatique proche de la machine, principalement à l'usage de l'opérateur d'atelier.

**HMI**: human-machine interface

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<figure><img src="image_281.png" /><figcaption>SUPERVISION INDUSTRIELLE SUR CHANTIER</figcaption></figure>

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# Supervisions

* Collecter les données

* Traiter les informations

* Créer les bases de données

* Diffuser les résultats

La supervision dans la hiérarchie d'une entreprise manufacturière

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## VI.2.2 ORGANISATION LOGICIELLE DE LA SUPERVISION

⇒ Les logiciels de supervision sont une classe de programmes applicatifs dédiés à la production dont les buts sont :

- l'assistance de l'opérateur dans ses actions de commande du processus de production (interface IHM dynamique...)

- la visualisation de l'état et de l'évolution d'une installation automatisée de contrôle de processus, avec une mise en évidence des anomalies (alarmes)

- la collecte d'informations en temps réel sur des processus depuis des sites distants (machines, ateliers, usines...) et leur archivage

- l'aide à l'opérateur dans son travail (séquence d'actions/batch, recette/receipe) et dans ses décisions (propositions de paramètres, signalisation de valeurs en défaut, aide à la résolution d'un problème ...)

- fournir des données pour l'atteinte d'objectifs de production (quantité, qualité, traçabilité, sécurité...)
VI.2.3 ORGANISATION MATERIELLE DE LA SUPERVISION

Les calculateurs

<figure><img src="image_289.png" /><figcaption>Baie 19”</figcaption></figure>

<figure><img src="image_290.png" /><figcaption>PC en rack 19”</figcaption></figure>

<figure><img src="image_291.png" /><figcaption>ShoeBox PC</figcaption></figure>

<figure><img src="image_292.png" /><figcaption>Panel PC</figcaption></figure>

<figure><img src="image_293.png" /><figcaption>Terminal
portatif</figcaption></figure>

Les automates
programmables

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Réseau

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Automate

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Entrées / sorties

Capteurs /
Actionneurs
<figure><img src="image_298.png" /><figcaption>TOP 10 COUNTRIES BY ROBOT DENSITY
(Industrial robots per 10 000 manufacturing workers)</figcaption></figure>

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Les robots
industriels

Quelques images

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FANUC

ABB

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<figure><img src="image_303.png" /></figure>

Les réseaux informatiques permettent de relier
entre eux toutes les composantes de l'installation

Il n'existe pas de réseau « unique ». Il y a une diversité de choix selon les performances attendues

Les réseaux

Réseaux et Bus de
Terrain

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VI.2.3 SUPERVISION ET PYRAMIDE CIM
# Importance des réseaux dans l'informatique industrielle

## Le concept de la pyramide du CIM

<figure><img src="image_305.png" /></figure>

La pyramide du CIM (Computer Integrated Manufacturing) est une méthode largement généralisée (en particulier dans l'informatique). Il s'agit d'une représentation comportant 4 niveaux auxquels correspondent des niveaux de décision. Plus on s'élève dans la Pyramide du CIM, plus le niveau de décision est important, plus la visibilité est globale et plus les cycles standards s'allongent. Un niveau supérieur décide ce qu'un niveau inférieur exécute

<figure><img src="image_306.png" /></figure>

source : "CIM, les nouvelles perspectives de la production", Jean-Baptiste Waldner, DUNOD-BORDAS, Paris, 1990
La pyramide du CIM : les réseaux

La pyramide du CIM, définit le modèle d'usine industrielle au sens de l'automatisation et de la communication. Actuellement, elle décrit les différents niveaux de communication sous une forme quantitative des données à véhiculer.

Le choix du réseau est différent selon les niveaux dans la pyramide. On prendra couramment Ethernet TCP/IP pour les niveaux 1 à 4. Pour le niveau 0, on est dans le domaine des Bus de Terrain Industriels qui offrent rapidité, déterminisme et une très bonne tenue aux contraintes d'environnement.

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Sécurité de l'information : l'erreur peut être dangereuse...

Déterminisme : faculté de transférer des données dans un temps donné.

13

VI.2.4 SUPERVISION INDUSTRIELLE ET SYSTEME D'INFORMATION

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ERP : Enterprise Resource Planning MES : Manufacturing Execution System

IHM : Interface Homme Machine MMI / HMI : Man / Human Machine Interface

SUPERVISION SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition
# VI.3 DE LA SUPERVISION AU SCADA ET MES

## VI.3.1 DE LA SUPERVISION AU SCADA

### VI.3.1.1 DEFINITIONS

#### Définitions

##### CETIM

Ensemble des tâches qui visent à surveiller l'état de fonctionnement d'un procédé, pour l'amener au plus près de son point de fonctionnement nominal et l'y maintenir.

Ceci requiert des procédures adéquates ainsi que le contrôle de leur exécution et de leurs résultats.

Objectifs :

- détecter toute rupture de performance.

- participer au maintien des cadences de production à leur niveau optimal

- permettre la reconfiguration des paramètres de fonctionnement

- assurer un certain niveau de disponibilité

- faciliter le diagnostic de pannes pour optimiser les tâches de maintenance.

### I.3.1.3 AVENEMENT DE LA SUPERVISION
## 1 - Pour les procédés continus

- **Au début, la supervision des procédés était purement humaine:** L'ouvrier avait connaissance en temps réel des données qui le concernent. Le contre-maître était informé dans l'heure des événements qui concernaient son équipe, puis l'information montait plus ou moins vite et plus ou moins diluée vers le haut.

- Il s'est avéré utile de **centraliser les données** et on a vu apparaître ainsi des **salles de contrôle** avec des mûrs couverts de tableaux, de vues synoptiques et d'indicateurs représentant les états de variables.

**Les opérateurs disposaient de commandes principales sous forme de manettes, rhéostats, boutons poussoirs, etc.**

- Les procédés sont devenus de plus en plus complexes et **il est devenu difficile pour un seul opérateur d'avoir une vue synthétique et globale du procédé**.

La multiplication des écrans avec des synoptiques animées a permis de représenter sur des surfaces beaucoup plus petites une multitude de vues accessibles à volonté.

(Les premiers systèmes étaient complexes et spécifiques)

- D'autres **fonctionnalités sont apparues:** enregistrement d'erreurs "au fil de l'eau", gestion des alarmes, etc.

## 2 - Pour les procédés manufacturiers

Les procédés manufacturiers ont pu se passer pendant longtemps de la supervision, mais avec l'avènement de l'automatisation, il est **devenu nécessaire de centraliser dans un lieu unique les données** concernant l'avancement de la fabrication.

**La conduite flexible** suppose une interaction constante entre les équipements de pilotage et les systèmes d'information de l'entreprise.

Le but de l'automatisation était de réduire les coûts de fabrication, donc **il était nécessaire d'éviter de développer un nouveau système de contrôle** pour chaque nouvelle application, et de s'orienter vers des équipements informatiques banalisés: micros, mini-ordinateurs et des logiciels de supervision.

Un nouveau marché est apparu: celui de la **GTC (Gestion Technique Centralisée)** et du bâtiment intelligent.
VI.3.1.4 POSITIONNEMENT DE LA SUPERVISION

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Manufacturing Process Management, Enterprise Resource Planning...

Ou La Production Intégrée...

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Le Système de Production

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### VI.3.1.5 ROLES DE LA SUPERVISION

#### Pourquoi la supervision?

* Aide à la conduite

- Visualisation

- Concentrateur de données

- Maintenance

* Systèmes complexes et distribués

* Flexibilité

- Optimisation de conduite

- Nourrir la traçabilité

* Améliorer la productivité

* ....

#### ROLE 1 : AIDE A LA CONDUITE (CONTROLE ET COMMANDE)

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## ROLE 2 : SUPPORT INFORMATION

* **Sans les superviseurs**

- **Parcours de l'installation**

* Surveillance directe de procédé

* L'opérateur se base sur des indices informels (bruits du moteur, température...)

- **Pupitre classique**

- **Panneaux synoptiques**

### Avec les superviseurs

* Flexibilité de mode de présentation de l'information (courbes, graphiques, animations, fond, ...)

* Structuration par bloc de variables

* Mémorisation ou prétraitement des variables de procédé.

* Perception de l'information en vrai et en temps réel

* Passage rapide d'une information à l'autre

## ROLE 3 : GESTION DES ALARMES

* **Alarme = Dysfonctionnements et anomalies**

* **Les alarmes nécessitent l'« intervention » de l'opérateur**

* **Différents types d'alarmes**

- **Avec ou sans acquittement**

- **Historisation**

- **etc.**

* **Selon la « qualification » de l'opérateur, celui-ci peut acquitter les alarmes.**
Exemple industriel : une plateforme pétrolière :

* La supervision se fait par la surveillance de 500 variables analogiques et 2500 variables logiques (TOR)

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* Les alarmes sont générées sur des dépassements de seuils.

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* Une avalanche d'alarmes peut mettre en jeu 500 alarmes (variables) en moins d'une minute.

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* Un problème mineur toutes les demi-heure et un problème majeur par semaine.

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* Il y a plus d'avantages à éviter un arrêt de l'installation qu'à gagner qq % de production

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VI.3.2. MISE EN OEUVRE DE LA SUPERVISION AVEC LE SCADA

VI.3.2.1 PRESENTATION DU SCADA

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# Supervisory Control and Data Acquisition
(SCADA)

## Une fondation de l'excellence opérationnelle

SCADA n'est pas une technologie spécifique, mais un type d'application. SCADA signifie Supervisory Control and Data Acquisition (système de **supervision industrielle** qui traite en temps réel un grand nombre de mesures et controle à distance les installations). Toute application qui reçoit les données de fonctionnement d'un système pour contrôler et optimiser ce dernier est une application SCADA. Cette application peut être un processus de distillation pétrochimique, un système de filtration d'eau, un compresseur sur un pipeline ou tout autre chose.

SCADA automation est tout simplement les moyens à une fin et non une fin en soi. A la fin de la journée, toutes les activités convergent vers la nécessité de maximiser l'utilisation des équipements au travers de l'excellence opérationnelle. Rester compétitif signifie de trouver sans cesse de nouvelles façons de travailler plus vite et plus efficacement et d'une manière plus économique. La pression est toujours – pour augmenter la productivité, l'efficacité, l'agilité, la qualité et la profitabilité tout en minimisant les coûts.

<figure><img src="image_320.png" /><figcaption>du système</figcaption></figure>
### VI.3.2.2 FONCTIONNALITES DU SCADA

L'objectif du système SCADA est de mener une conduite réactive de processus. Les fonctions en marche normale sont:

* L'envoi de consignes vers le procédé dans le but de provoquer son évolution.

* L'acquisition de mesures ou de comptes rendus permettant de vérifier que les consignes envoyées vers le procédé produisent exactement les effets escomptés.

* L'acquisition de mesures ou d'informations permettant de reconstituer l'état réel du procédé et/ou du produit.

* La recherche des causes de l'apparition d'un fonctionnement ne correspondant plus à ce qui est attendu.

* L'envoi vers le procédé d'ordres prioritaires permettant de déclencher des procédures de sécurité (arrêts d'urgence par exemple)

* La recherche des conséquences de l'apparition d'un fonctionnement non prévu ou non contrôlé,

* L'élaboration de solutions permettant de pallier le fonctionnement non prévu,

* La modification des modèles utilisés pendant le fonctionnement prévu pour revenir à ce fonctionnement : changement de la commande, réinitialisations, relaxation de contraintes, etc.,

* La collaboration avec les opérateurs humains pour les prises de décision critiques, pour le recueil d'informations non accessibles directement et pour l'explication de la solution curative envisagée ou appliquée.

### VI.3.2.3 COMPOSITION DU SCADA
# Sous-ensembles du système SCADA

Le système SCADA comprend 3 sous-ensembles fonctionnels:

- la commande

- la surveillance

- la supervision

## Partie Commande du système SCADA

Son rôle est de faire exécuter un ensemble d'opérations (élémentaires ou non suivant le niveau d'abstraction auquel on se place) au procédé en fixant des consignes de fonctionnement en réponse à des ordres d'exécution. Il s'agit de réaliser généralement une séquence d'opérations constituant une gamme de fabrication dans le but de fabriquer un produit en réponse à une demande d'un client,

La commande regroupe toutes les fonctions qui agissent directement sur les actionneurs du procédé qui permettent d'assurer :

- le fonctionnement en l'absence de défaillance,

- la reprise ou gestion des modes,

- les traitements d'urgence,

- une partie de la maintenance corrective.
# Partie Surveillance du système SCADA

La partie surveillance:

- recueille en permanence tous les signaux en provenance du procédé et de la commande

- reconstitue l'état réel du système commandé

- fait toutes les inférences nécessaires pour produire les données utilisées pour dresser des historiques de fonctionnement

- met en œuvre un processus de traitement de défaillance le cas échéant

Dans cette définition, la surveillance est limitée aux fonctions qui collectent des informations, les archivent, font des inférences, etc. sans agir réellement ni sur le procédé ni sur la commande. La surveillance a donc un rôle passif vis-à-vis du système de commande et du procédé.

# Partie Supervision du système SCADA

Contrôler et surveiller l'exécution d'une opération ou d'un travail effectué par d'autres sans rentrer dans les détails de cette exécution.

⇒ en fonctionnement normal, son rôle est surtout de prendre en temps réel les dernières décisions correspondant aux degrés de liberté exigés par la flexibilité décisionnelle. Pour cela elle est amenée à faire de l'ordonnancement temps réel, de l'optimisation, à modifier en ligne la commande et à gérer le passage d'un algorithme de surveillance à l'autre.

⇒ en présence de défaillance, la supervision va prendre toutes les décisions nécessaires pour le retour vers un fonctionnement normal. Après avoir déterminé un nouveau fonctionnement, il peut s'agir de choisir une solution curative, d'effectuer des ré-ordonnancements "locaux", de prendre en compte la stratégie de surveillance de l'entreprise, de déclencher des procédures d'urgence, etc.
# Structure d'un système de supervision

<figure><img src="image_321.png" /></figure>

## VI.3.2.4 CARACTESTIQUE DU SCADA

* Que peut-on superviser?

* Plate-forme informatique?

* Base de données

* Communication

* Traitements

* Imagerie

* Bibliothèques d'objets

* Passerelle avec des bases de données

* Aspect technico-commercial
### VI.3.2.5 MATERIELS A SUPERVISER

* Automate Programmable Industriel

* Régulateur Industriel

* Chaîne d'acquisition et/ou traitement de données

* Ordinateur de process

* Commande Numérique de Machine Outil

* Carte d'entrées-sorties

* Système d'identification

* Terminaux d'atelier

* ...

### VI.3.2.6 LOGICIELS DE SUPERVISION

* **INTOUCH** Factory Systems (Wonderware)

* Fix de INTELLUTION

* **PCVUE** de Arc Informatique

* **Panorama** de Europ Supervision

* **Wizcon** de Wizcon

* **OCS Moniteur** de Schneider Electric

* **RSVIEW 32** de Rockwell Automation

* **Simatic WinCC** de Siemens

* **PlantScape** Honeywell

* ...

### VI.3.3. DE LA SUPERVISION AU MES
VI.3.3.3 GENERALITES SUR MES (MANUFACTURING EXECUTION
SYSTEME)

Définition du NIST : (National Institute of Standardisation)

"Un MES est un regroupement de fonctions qui permet la gestion et l'optimisation des activités de production depuis le lancement d'un ordre de fabrication jusqu'aux produits finis.

En conservant des données courantes et précises, il permet en fonction
des activités qui apparaissent, de faire des rapports, de proposer des
solutions et de les mettre en place.

Un MES procure des informations clefs sur les activités de production
aux différents systèmes de décision à travers l’entreprise.”

Les informations données par le M.E.S. doivent:

→ donner les indications aux services commerciaux pour la prise de commande (délais de fabrication compte tenu des commandes en cours, des fabrications en cours, des cadences réelles et des approvisionnements)

→ permettre la mise en fabrication rapide d'un nouveau produit (recettes, procédures de travail, formation...)

→ proposer le réordonnancement de la production face à un imprévu

→ diagnostiquer rapidement une dérive de production

→ respecter les exigences réglementaires
VI.3.3.2 FONCTIONS DU MES

1 - Allocation des ressources

2 - Distribution des travaux

3 - Répartition et gestion des tâches

4 - Contrôle de la documentation

5 - Acquisition des données

6 - Gestion des temps de travail / Suivi du personnel

7 - Suivi et gestion de la qualité

8 - Gestion et suivi du processus de fabrication

9 - Gestion et suivi de maintenance

10 - Traçabilité des produits

11 - Analyse de performance
# VI.4 INTRODUCTION AU SYSTEME D'INFORMATION
## INDUSTRIEL MES

### VI.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_322.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_323.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 a minima de simples écrans de la GPAO, redesignées 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 réglementaire.

Il sera également possible de construire des analyses croisées ou des analyses de causes qui ouvriront une réflexion sur des leviers d'amélioration.
## VI.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.
# VI.5 Etude détaillée de la supervision industrielle
## SCADA

### VI.5.1 DEFINITIONS

#### SUPERVISION

⇒ Les logiciels de supervision sont une classe de programmes applicatifs dédiés au contrôle de processus et à la collecte d'informations en temps réel depuis des sites distants, en vue de maîtriser un équipement.

**SCADA** (supervisory control and data acquisition)

⇒ Un système SCADA inclut des composants hardware et software. Les éléments hardware assurent la collecte des informations qui sont à disposition du calculateur sur lequel est implanté de le logiciel de supervision.

Le calculateur traite ces données et en donne une représentation graphique réactualisée périodiquement. Le système SCADA enregistre les évènements dans des fichiers ou les envoie sur une imprimante, par mail... Le système surveille les conditions de fonctionnement anormale et génère des alarmes.

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## VI.5.2 LES PRINCIPALES PROCEDES INDUSTRIELS

### 1 - Les procédés continus

- Cimenterie, alimentaire, chimie, traitement de minéraux, etc...

- Les procédés ne s'arrêtent pas, ils tournent 24/24 et toute l'année.

(difficulté de stockage des produits intermédiaires)

- Les traitements effectués sont de type chauffage, refroidissement, malaxage, etc...

- Ne nécessitent pas beaucoup de postes de travail.

### 2 - Les procédés manufacturiers

- S'appliquent à des transformations de matériaux.

- Essentiellement des opérations d'usinage et d'assemblage.

- Les matériaux en cours de transformation peuvent être stockés pour une durée déterminée à n'importe quel point du cycle de fabrication.

- La traçabilité de la production peut être assurée. Il est possible de déterminer pour un produit fini et pour chaque composant le poste qui l'a fabriqué et celui qui l'a contrôlé.

- Très consommateurs de postes de travail (avant l'automatisation)

### 3 - Procédés intermédiaires

- Selon les cas et les points de vue, il peut être possible de les ranger dans la première ou la deuxième catégorie.

Exemple: les procédés "batch": élaboration en continu de lots de produits (industrie pharmaceutique)

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## VI.5.3 AVENEMENTS DE LA SUPERVISION INDUSTRIELLE
## 1 - Pour les procédés continus

- **Au début, la supervision des procédés était purement humaine:** L'ouvrier avait connaissance en temps réel des données qui le concernent. Le contre-maître était informé dans l'heure des événements qui concernaient son équipe, puis l'information montait plus ou moins vite et plus ou moins diluée vers le haut.

- Il s'est avéré utile de **centraliser les données** et on a vu apparaître ainsi des **salles de contrôle** avec des mûrs couverts de tableaux, de vues synoptiques et d'indicateurs représentant les états de variables.

- **Les opérateurs disposaient de commandes principales sous forme de manettes, rhéostats, boutons poussoirs, etc.**

- Les procédés sont devenus de plus en plus complexes et **il est devenu difficile pour un seul opérateur d'avoir une vue synthétique et globale du procédé**.

La multiplication des écrans avec des synoptiques animées a permis de représenter sur des surfaces beaucoup plus petites une multitude de vues accessibles à volonté.

(Les premiers systèmes étaient complexes et spécifiques)

- D'autres **fonctionnalités sont apparues:** enregistrement d'erreurs "au fil de l'eau", gestion des alarmes, etc.

## 2 - Pour les procédés manufacturiers

Les procédés manufacturiers ont pu se passer pendant longtemps de la supervision, mais avec l'avènement de l'automatisation, il est **devenu nécessaire de centraliser dans un lieu unique les données** concernant l'avancement de la fabrication.

La **conduite flexible** suppose une interaction constante entre les équipements de pilotage et les systèmes d'information de l'entreprise.
VI.5.4 FONCTIONS DE LA SUPERVISIONS DE LA SUPERVISION INDUSTRIELLE

FONCTION1 : REPRESENTATION SYNOPTIQUE

↔ Synoptique fonction essentielle de la supervision, fournit une représentation
synthétique, dynamique et instantanée de l'ensemble des moyens de production de
l'unité

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→ Synoptique : permet à l'opérateur d'interagir avec le processus et de visualiser le comportement normal

<figure><img src="image_326.png" /></figure>

→ Synoptique : permet à l'opérateur de visualiser le comportement anormal

<figure><img src="image_327.png" /></figure>

## FONCTION2 : REPRENSATION GRAPHIQUE AVEC DES COURBES
## Courbes:

- donne une représentation graphique de différentes données du processus

- donne les outils d'analyse des variables historisées

<figure><img src="image_328.png" /></figure>

## FONCTION3 : ALARMES

### Alarmes:

- calcule en temps réel les conditions de déclenchement des alarmes

- affiche l'ensemble des alarmes selon des règles de priorité,

- donne les outils de gestion depuis la prise en compte jusqu'à la résolution complète

- assure l'enregistrement de toutes les étapes de traitement de l'alarme

<figure><img src="image_329.png" /></figure>

## FONCTION4 : HISTORISATION DU PROCEDE
<figure><img src="image_330.png" /></figure>

## Historisation du procédé:

- permet la sauvegarde périodique de grandeurs (archivage au fil de l'eau)

- permet la sauvegarde d'événements horodatés (archivage sélectif)

- fournit les outils de recherche dans les données archivées

- fournit la possibilité de refaire fonctionner le synoptique avec les données archivées (fonction de magnétoscope ou de replay)

- permet de garder une trace validée de données critiques (traçabilité de données de production)

<figure><img src="image_331.png" /></figure>

<figure><img src="image_332.png" /></figure>

Université

# FONCTION5 : GESTION DES GAMMES DE FABRICATION ET RECETTES

<figure><img src="image_333.png" /></figure>

## Gestion des gammes de fabrication et recettes:

- donne un outil de gestion des lots de fabrication (batchs)

- gère les paramètres de réglage des machines pour chacun des lots (recettes)

<figure><img src="image_334.png" /></figure>
VI.5.5 FOURNISSEURS DE SUPERVISSEURS INDUSTRIELS

→ Quelques superviseurs commerciaux:

Schneider
Electric

Monitor Pro, Vidjeo
Look, Citect

Codra

Panorama P2,
Panorama E2

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TopKapi

ARC
Informatique

PcVue, PlantVue

<figure><img src="image_336.png" /></figure>

ControlMaestro,
Wizcon

SIEMENS

SIMATIC WinCC
Version 7

<figure><img src="image_337.png" /></figure>

Genesis 32

Wondershare

InTouch,
InControl

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VI.5.6 DOMAINES D'APPLICATION DE LA SUPERVISION ET
EXEMPLE

<figure><img src="image_339.png" /></figure>

Domaines d'application :

Lehrage de grandes installations industrielles automatisées:

- métallurgie (laminoir ) production pétrolière (distillation),

- production et stockage agroalimentaire (lait, céréales...)

- production manufacturière (automobile, biens de consommation...)

Lehrage d'installations réparties:

- alimentation en eau potable,

- traitement des eaux usées,

- gestion des flux hydrauliques (canaux, rivières, barrages...)

- gestion de tunnels (ventilation, sécurité)

La gestion technique de bâtiments et gestion technique centralisée (GTC):

- gestion des moyens de chauffage et d'éclairage (économies d'énergie)

- gestion des alarmes incendies

- contrôle d'accès, gestion des alarmes intrusion
Exemple d'un Système manufacturier :

* Objectif : remonter l'information de l'atelier de production vers le système d'information de l'entreprise

* Conduite du procédé

* (synoptiques, tracés de courbes, alarmes)

* Suivi de fabrication

* Suivi des commandes

* Qualité

* Traçabilité

* SPC (statistic Process Control)

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# VI.5.7 ANALYSE DES CARACTERISTIQUES DE LA SUPERVISION SCADA

## Système d'exploitation

- mono ou multi-utilisateurs (sécurité de gestion des utilisateurs)

- mono ou multi-tâches (traitement de la base de données, rafraîchissement des vues, alarmes, communications, édition...)

- périodicité des tâches garanties ou non

- interruption de tâches

## Communications

- communications entre tâches (liaison dynamique, protocole, ex DLL, OLE)

- communications matérielles (périphériques, cartes spécialisées, protocoles ex série, CAN, TCP, UDP)

## Supervision répartie

- postes autonomes en réseau

- répartition des tâches ou des variables entre plusieurs postes

- postes clients d'un serveur multi-utilisateur

## Base de données « variables » du superviseur

contient les informations venant des processus relatives aux automatismes

- rafraîchissement :

- cyclique (mise à jour périodiquement)

- cyclique paramétrable (base partagée en plusieurs blocs)

- sélectif (mise à jour uniquement des variables des vues de l'écran actif)

- flash (mise à jour à l'ouverture d'une vue)

- sur exception (rafraîchissement sur changement d'état des variables)

- capacité
● Conduite

- télécommande directe du processus par forçage des variableS depuis l'IHM

- validation de la conduite selon niveau opérateur

● Traitements graphiques

- cartes et résolutions supportés

- redimensionnement des vues, des textes (vectorisation ex SVG)

- affichage multi-lingue

- affichage dédié ou standard, affichage distant (Web)

● Traitement des alarmes

- hiérarchie et priorité des alarmes

- datation

- occurrence multiple

versité - acquittement par des postes multiples

● Archivage

- historique des variables

- archivage sélectif

- archivage court terme/long terme

- capacité et structure d'archivage

- archivage sur structure standard (SQL, Oracle...)

● Programmation

- éditeur graphique

- bibliothèque de composants (ActiveX)

- structure générale de gestion (hiérarchies des objets, instanciation)

- programmation des fonctions prédéfinies

- développement de traitements spécifiques

- extensions matériel (nouveau couplage)

- extension logicielle par ajout de composants externes (ActiveX)
V.5.8 ARCHITECTURE MATERIELLE DU SYSTEME DE SUPERVISION

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Architecture matérielle du système de supervision

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VI.5.9 ARCHITECTURE LOGICELLE DU SYSTEME DE SUPERVISION

Organisation logicielle d'un système de Supervision

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## Organisation logicielle d'un système de Supervision

→ types particuliers dédiés au contrôle-commande

- variable booléenne ou TOR (0-1, false-true)

- variable numérique (real, double)

- variable chaîne de caractère

### GESTIONNAIRE DE VARIABLES Temps-Réel

→ variable "objet"

- valeur de la variable

- unités

- échelle, limites

- horodatage, fraîcheur

- hystérésis

Ces notions ont été intégrées dans la norme OPC (Object for Process Control)

## Organisation logicielle d'un système de Supervision

→ spécificité Temps-réel de la base des variables

- **synchronisme** avec l'interface IHM par

- mise à jour de l'affichage (valeurs affichées, graphismes)

- prise en compte des actions (boutons, curseurs)

- prise en compte des valeurs (saisie)

- **synchronisme** avec le matériel

- lecture des variables en entrée

- envoi des valeurs en sortie

Le synchronisme peut être obtenu de 2 manières :

- par accès cyclique aux périphériques

- par analyse des changement de valeur et activation des fonctions associées

### GESTIONNAIRE DE VARIABLES Temps-Réel
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VI.5.10 CAHIER DES CHARGES EXTERNE DU SYSTEME SCADA

⇒ Accéder aux informations ( **lecture et écriture** ) des unités de traitement (automates, régulateurs, chaînes d'acquisition, cartes E/S, systèmes d'identification, terminaux...) en **temps réel**.

⇒ Ces périphériques sont généralement **hétérogènes** :

communications physiques diverses:

- liaison série standard RS 232 ou RS485

- liaison dédiée (ASI, CAN, Profibus )

- réseau Ethernet...

protocoles différents

- Modbus ASCII, RTU, TelWay

- CanOpen, DeviceNet

- UDP, TCP/IP, ModbusTCP ...
→ **Visualiser** les informations dans un interface HMI du type graphique **réactif** aux données et **interactif** avec l'opérateur ..

L'environnement graphique peut être propriétaire (logiciel graphique intégré au superviseur) ou standard (utilisation d'un interface de type navigateur Web).

La visualisation graphique sur poste **distant** (Web?) est souvent demandée par l'exploitant.

La visualisation est **répartie** sur plusieurs postes graphiques pour les applications de grande dimension.

→ **Calculer** des grandeurs définies par des **formules** et/ou des séquences d'**évènements**

→ **Dé detecter** prioritairement les situations d'**alarme**, gérer les alarmes multiples, lancer les actions sur le processus et prévenir les opérateurs, y compris à distance (envoi de sms, mails, appel téléphonique automatique)

→ **Gérer la prise en compte** des alarmes par les opérateurs (**acquittement**)

→ Donner les moyens de contrôle direct des opérateurs sur le processus (**forçage**)

→ Fournir des **recettes** [recipe] pour les changement de gamme de fabrication

→ **Enregistrer** les valeurs des variables et les actions des opérateurs en vue d'une analyse ultérieure des incidents (mode magnétoscope)

→ **Archiver** sélectivement les données (grandeurs sources, variables internes calculées, commandes, alarmes) et permettre la traçabilité

→ Donner des **outils d'analyse** de données en vue d'une analyse visuelle, d'une exploitation statistique (MTBF, MTTR, TRS...) ou d'une correction du processus (Maîtrise Statistique de la Qualité..)
<figure><img src="image_345.png" /></figure>

Gérer la sûreté de fonctionnement

- sûreté interne des programmes

- sûreté de la machine support du superviseur

- identification de l'utilisateur

- sûreté vis à vis des demandes de l'utilisateur (verrouillage de fonctionnalités suivant le niveau hiérarchique de l'utilisateur)

- sûreté des communications (détection des défauts de mise à jour des variables) et gestion automatique de la redondance matérielle ou logicielle