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INSTRUMENTATION

AUTOMATISME CENTRALISÉ - DCS

MANUEL DE FORMATIONCours EXP-MN-SI110

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Formation ExploitationInstrumentation

Automatisme Centralisé - DCS

Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FRDernière Révision: 08/04/2009 Page 2 de 249

INSTRUMENTATION

AUTOMATISME CENTRALISÉ - DCS

SOMMAIRE

1. OBJECTIFS.....................................................................................................................7 2. INTRODUCTION .............................................................................................................8

2.1. HISTORIQUE DU CONTRÔLE DES PROCÉDÉS....................................................8 2.2. DÉBUTS DES TABLEAUX DE COMMANDE LOCALE ............................................8

3. ÉVOLUTION DU CONTRÔLE DE TRAITEMENT DE L’USINE.....................................10 3.1. DES SALLES DE CONTRÔLE PLUS SOPHISTIQUÉES.......................................10 3.2. COMMANDE CENTRALE DE L’ORDINATEUR CENTRAL....................................10

3.2.1. Commande numérique directe (CND) .............................................................10 3.2.2. Commande analogique commandée numériquement (DDAC) .......................11 3.3. CONTRÔLE RÉPARTI DES PROCESS.................................................................13 3.4. SYSTÈMES DE PROCESSEURS RÉPARTIS .......................................................15 3.5. AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS (API / PLC) ET CONTRÔLECOMMANDE DE PROCÉDÉ .........................................................................................16 3.6. COMPARAISON DCS ET PLC :FACILITÉ DE CONFIGURATION.........................18

3.6.1. Configuration typique d’un système de PLC....................................................19 3.6.2. Configuration typique d’un système DCS........................................................19

3.7. SYSTÈME SCADA..................................................................................................20 3.8. RÔLE ACCRU DES ORDINATEURS PERSONNELS (PC)....................................21

4. QU’EST-CE QU’UN DCS ?............................................................................................22 5. QUELLE DIFFERENCE AVEC UN AUTOMATE PLC ? ................................................23 6. LA PARTIE HARDWARE : STRUCTURE D’UN DCS....................................................24

6.1. L’EMBASE ..............................................................................................................24 6.2. L’ALIMENTATION...................................................................................................25 6.3. LES CARTES D’ENTRÉES/SORTIES....................................................................26

6.3.1. La carte d’entrée logique.................................................................................26 6.3.2. La carte de sortie logique ................................................................................26 6.3.3. La carte d’entrée analogique...........................................................................27 6.3.4. La carte de sortie analogique ..........................................................................27 6.3.5. Le Microprocesseur.........................................................................................28 6.3.6. La carte de communication .............................................................................29

6.4. STRUCTURE MATÉRIELLE DES CONTRÔLEURS ..............................................30 6.4.1. Contrôleur classique de procédé.....................................................................30 6.4.2. Architectures du contrôleur..............................................................................31

6.5. STRUCTURE LOGICIELLE DES CONTRÔLEURS................................................34 6.5.1. Programmation................................................................................................34 6.5.2. Organisation du temps d’exécution pour les actions de contrôle.....................35 6.5.3. Progrès dans la structure logicielle..................................................................36 6.5.4. Programmation contre configuration................................................................36 6.5.5. Blocs fonction ..................................................................................................37

6.5.6. Connection des blocs ......................................................................................38 6.6. REDONDANCE DU CONTRÔLEUR.......................................................................41 6.6.1. Le mythe de l’intégrité boucle simple ..............................................................41


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6.6.2. Ordinateur principal redondant ........................................................................42 6.6.3. Redondance à boucle partagée basée sur microprocesseur ..........................43 6.6.4. Redondance basée sur microprocesseur pour racks monocartes de contrôleur

..................................................................................................................................44 6.6.5. Coupures d’alimentation..................................................................................46 6.7. BRANCHEMENT AU CONTRÔLEUR.....................................................................47

6.7.1. Sous réseau d’entrées/sorties vers les dispositifs de terrain...........................47 6.7.2. Conversion numérique d’entrées et sorties .....................................................48 6.7.3. Connections d’entrées/sorties distantes..........................................................51 6.7.4. Influence des bus de terrain ............................................................................53 6.7.5. Sous réseau d’entrées/sorties – interface homme ..........................................54

7. LE DCS ET SON RESEAU............................................................................................57 7.1. LE BUS DE TERRAIN.............................................................................................58

7.1.1. Architecture .....................................................................................................58

7.1.2. Les modules d’entrées sorties déportées........................................................58 7.1.3. Le coupleur Profibus PA / DP..........................................................................59

7.2. LE DCS ET SA PARTIE SOFTWARE.....................................................................60 7.2.1. Introduction......................................................................................................60 7.2.2. Les serveurs....................................................................................................60 7.2.3. Les operating system dit ‘OS client’ ................................................................61 7.2.4. Les Engineering System dit ‘ES’ .....................................................................62 7.2.5. Exemples de vues synoptiques.......................................................................64

7.3. ARCHITECTURE TYPIQUE D’UN DCS .................................................................68 7.3.1. Exemple d’architecture du DCS Freelance 2000 du fournisseur ABB.............68 7.3.2. Exemple d’architecture du DCS Delta V de Emerson .....................................69

7.3.3. Conclusion.......................................................................................................70 8. LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS......................................................................71

8.1. LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION D’INFORMATION .................................73 8.1.1. Les techniques de connexion..........................................................................73

8.1.1.1. Liaison monofilaire .....................................................................................74 8.1.1.2. Liaison bifilaire avec masse .......................................................................74 8.1.1.3. Liaison bifilaire différentielle .......................................................................74

8.1.2. La transmission en bande de base..................................................................75 8.1.2.1. Les polarités...............................................................................................76 8.1.2.2. Le retour à zéro..........................................................................................76 8.1.2.3. Les codages asynchrone ...........................................................................77 8.1.2.4. Les codages synchrones............................................................................77

8.1.3. La transmission en bande décalée..................................................................80 8.1.3.1. Les modulations d'amplitude......................................................................81 8.1.3.2. Les différentes modulations d'amplitude ....................................................83 8.1.3.3. Les modulations angulaires........................................................................87 8.1.3.4. Rappels sur les modulations analogiques..................................................90

8.1.4. Le codage des informations ............................................................................91 8.1.4.1. Le codage de la parité................................................................................91 8.1.4.2. Les codages redondants............................................................................92 8.1.4.3. Les codes CRC..........................................................................................95

8.1.5. Correction d'erreurs de transmission...............................................................96 8.1.6. Le Multiplexage ...............................................................................................97


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8.1.6.1. Le multiplexage fréquentiel ........................................................................97 8.1.6.2. Le multiplexage temporel ...........................................................................99

8.1.7. Le vocabulaire des transmissions .................................................................100

8.2. LES PREMIERS RESEAUX INFORMATIQUES...................................................102 8.2.1. La norme RS232 ...........................................................................................102 8.2.1.1. Présentation. ............................................................................................103 8.2.1.2. Contrôle de flux........................................................................................103

8.2.2. Le bus IEEE 488 ...........................................................................................108 8.2.2.1. Études des signaux de contrôle des machines ........................................109 8.2.2.2. Étude du HAND-SHAKE (contrôle du flux)...............................................110

8.3. L’ORGANISATION DES RESEAUX......................................................................112 8.3.1. La norme OSI ................................................................................................113

8.3.1.1. Les 7 couches de la norme OSI...............................................................113 8.3.1.2. L'encapsulation des données...................................................................116

8.3.2. Trames et paquets ........................................................................................117 8.3.2.1. Principe de la trame élémentaire..............................................................117 8.3.2.2. Principe du paquet ...................................................................................117

8.4. LA COUCHE PHYSIQUE......................................................................................118 8.4.1. La topologie d'un réseau ...............................................................................118

8.5. LE MEDIUM ..........................................................................................................122 8.5.1. Remarque sur les vitesses de propagation ...................................................122 8.5.2. Les paires Torsadées....................................................................................123 8.5.3. Les fibres optiques ........................................................................................126 8.5.4. Les éléments de la couche physique ............................................................128

8.6. ETHERNET...........................................................................................................130

8.6.1. Trame fondamentale .....................................................................................130 8.6.1.1. Le préambule ...........................................................................................131 8.6.1.2. Les adresses de destination et de source................................................131 8.6.1.3. Le type .....................................................................................................131 8.6.1.4. Le champ de donnée ...............................................................................131 8.6.1.5. Tables des Ethertypes. ............................................................................132

8.6.2. La Couche Physique d'Ethernet ....................................................................133 8.6.3. La Couche de Liaison d'Ethernet...................................................................135

8.7. LE PROFIBUS ......................................................................................................137 8.7.1. Réseaux locaux (LAN) dans l’automatisation production et process.............137

8.7.1.1. Systèmes de communication ...................................................................138 8.7.1.2. Systèmes décentralisés ...........................................................................138 8.7.1.3. Industrial Ethernet/Fast Ethernet..............................................................139 8.7.1.4. AS–Interface ............................................................................................139 8.7.1.5. PROFIBUS...............................................................................................139 8.7.1.6. PROFIBUS–PA ........................................................................................139

8.7.2. Les différents profils du profibus....................................................................140 8.7.2.1. Les profils de communication...................................................................141 8.7.2.2. Les supports physiques ...........................................................................141 8.7.2.3. Profils applicatifs ......................................................................................142

8.7.3. Les fondements de profibus ..........................................................................142

8.7.3.1. Architecture de communication................................................................143 8.7.3.2. Transmission RS485................................................................................144


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8.7.3.3. Transmission CEI 1158-2.........................................................................147 8.7.3.4. Transmission optique ...............................................................................152 8.7.3.5. Méthode d’accès sur profibus ..................................................................152

8.7.4. Le profil de communication DP......................................................................155 8.7.4.1. Fonctions DP de base..............................................................................155 8.7.4.2. Caractéristiques fondamentales...............................................................156 8.7.4.3. Configuration du système et types d’équipements...................................157 8.7.4.4. Comportement du système ......................................................................159 8.7.4.5. Transmission cyclique de données entre DPM1 et esclaves ...................160 8.7.4.6. Mode synchro et freeze............................................................................160 8.7.4.7. Fonctions DP étendues............................................................................161 8.7.4.8. Adressage des données par numéro d’emplacement et d’index..............161 8.7.4.9. Transmission acycliques de données entre maître DPM1 et esclaves ....162 8.7.4.10. Transmission acycliques de données entre maître DPM2 et esclaves ..163

8.7.5. Le profil de communication FMS ...................................................................164 8.7.5.1. Services FMS...........................................................................................166 8.7.5.2. Interface LLI .............................................................................................167 8.7.5.3. Gestion du réseau....................................................................................168

8.7.6. Les profils applicatifs .....................................................................................168 8.7.6.1. Automatisation des procédés (PA)...........................................................168 8.7.6.2. La communication sur PA ........................................................................170 8.7.6.3. Profil de sécurité ......................................................................................174 8.7.6.4. Profil d’équipements.................................................................................175

8.7.7. La configuration et l’identification des équipements ......................................176 8.7.7.1. Fichier GSD..............................................................................................176

8.7.7.2. Identification de l’équipement...................................................................178 8.7.7.3. Les fichiers EDD ......................................................................................178

8.7.8. Les évolutions de PROFIBUS .......................................................................179 8.7.8.1. PROFIBUS et Ethernet ............................................................................179 8.7.8.2. La commande d’axes ...............................................................................180

8.7.9. L’avenir du profibus .......................................................................................182 8.8. LE PROFINET.......................................................................................................183

8.8.1. Appareils de terrain sur PROFInet IO............................................................183 8.8.2. Communication .............................................................................................184 8.8.3. Installation du réseau ....................................................................................184 8.8.4. Intégration au paysage informatique .............................................................184 8.8.5. Intégration au bus de terrain..........................................................................184

8.9. PRERIPHERIE DECENTRALISE EN PROFINET.................................................186 8.9.1. Équipements et fonctionnalité .......................................................................186 8.9.2. Modèle d’équipement ....................................................................................187 8.9.3. Périphérique d’E/S ........................................................................................188 8.9.4. Configuration et échange ..............................................................................189 8.9.5. Diagnostiques................................................................................................189 8.9.6. Automatismes répartis...................................................................................190

8.9.6.1. Composants PROFInet ............................................................................190 8.9.6.2. Modèle d’ingénierie PROFInet .................................................................191

8.9.6.3. Fichier PCD..............................................................................................193 8.9.6.4. Vue de travail ...........................................................................................194


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8.9.7. Communication PROFInet.............................................................................195 8.9.7.1. TCP/UDP et IP .........................................................................................196 8.9.7.2. Temps réel ...............................................................................................197

8.9.7.3. Communication sur PROFInet IO.............................................................199 8.9.7.4. Communication entre composants PROFInet..........................................199 8.9.8. Installation du réseau ....................................................................................201

8.9.8.1. Topologies................................................................................................202 8.9.8.2. Câblage PROFInet...................................................................................204 8.9.8.3. Connectiques ...........................................................................................205 8.9.8.4. Commutateurs..........................................................................................206

8.9.9. Intégration des bus de terrain........................................................................206 8.9.9.1. Stratégie de migration ..............................................................................207 8.9.9.2. Intégration d’appareils de terrain par proxy..............................................208 8.9.9.3. Intégration d’applications de terrain .........................................................208

8.9.9.4. Intégration d’autres bus de terrain............................................................209 8.9.9.5. Exemple de machine modulaire...............................................................209

8.10. LES PROTOCOLES DE TRANSMISSION DE DONNEES.................................211 8.10.1. TCP/IP.........................................................................................................211 8.10.2. Le protocole IP ............................................................................................212 8.10.3. Les options de la trame IP...........................................................................216 8.10.4. IP et Ethernet ..............................................................................................217 8.10.5. La commande PING....................................................................................219 8.10.6. Fonctionnement de IP .................................................................................220

8.10.6.1. Identification des adresses locales.........................................................220 8.10.7. Le routage des paquets IP ..........................................................................223

8.10.7.1. Le protocole RIP ....................................................................................223 8.10.7.2. Diffusion et constitution des tables RIP..................................................224 8.10.7.3. La trame RIP..........................................................................................228

8.10.8. Le protocole MODBUS................................................................................229 8.10.8.1. Principe des échanges MODBUS ..........................................................229 8.10.8.2. Adressage..............................................................................................230 8.10.8.3. Échange maître vers 1 esclave..............................................................230 8.10.8.4. Échange Maître vers tous les esclaves..................................................230 8.10.8.5. Trame d’échange question/réponse.......................................................231 8.10.8.6. Format général d’une trame...................................................................231 8.10.8.7. Support de transmission.........................................................................233

8.10.9. Le protocole HART......................................................................................234 8.10.9.1. Qu’est-ce que le HART ? .......................................................................234 8.10.9.2. Comment fonctionne le HART ?.............................................................237 8.10.9.3. Les specifications du HART ...................................................................240 8.10.9.4. Qu’y a t-il dans les données HART? ......................................................241

9. SOMMAIRE DES FIGURES........................................................................................245 10. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................249


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1. OBJECTIFS

Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de connaîtrel’instrumentation qui se situe en zone à risques et ses différents marquages sur un siteindustriel à dominance pétrolière.

En fin de cours, dans le domaine des normes et symboles en instrumentation, leparticipant devra être capable de :

•


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2. INTRODUCTION

Pour mieux comprendre le concept de contrôle-commande réparti, nous devons nousintéresser à l’historique des salles de commande et à la commande par ordinateur.

Nous étudierons également quelques distinctions arbitraires entre DCS, API (PLC) et PC.

Ce ne seront là que des comparaisons incomplètes, bien entendu, du fait des nombreusescréations et innovations des fournisseurs, mais dans un souci de compréhension, nous enpasserons par des généralisations.

2.1. HISTORIQUE DU CONTRÔLE DES PROCÉDÉS

Dans les premières usines de traitement, le contrôle-commande des procédés requérait leplus souvent plusieurs opérateurs. Ceux-ci devaient alors surveiller en permanencechaque unité de traitement, observer de volumineux instruments de mesure, installés sursite et manipuler des vannes. L’ensemble de l’exploitation de l’usine nécessitait donccouramment des opérateurs venant « visiter » l’usine, tablette à la main pour enregistrernombre de paramètres essentiels. À la fin de leur premier passage, des calculs appropriésdevaient être réalisés, en vue de la visite suivante, pour ajuster les vannes, registres,entraînements et autres éléments finaux.

Cela impliquait que chaque opérateur développe sa propre sensibilité par rapport auprocédé, art s’il en est. L’un des défis d’une telle gestion d’usine consistait à coordonnerles nombreux opérateurs afin qu’ils puissent gérer le flux de produit d’un bout à l’autre del’usine de façon cohérente. Du fait de la subjectivité de ce « ressenti » de l’exploitation, lesrésultats de l’usine pouvaient varier selon les différents opérateurs et leurs différents étatsémotionnels. Les délais et autres inefficacités en résultant étaient ainsi les facteurs limitantla productivité de l’usine.

2.2. DÉBUTS DES TABLEAUX DE COMMANDE LOCALE

Avec les progrès technologiques, il est devenu possible de transmettre des signauxpneumatiques. La salle de contrôle a ainsi fait son apparition dans les usines les plusimportantes et les volumineux appareils de mesure ont donc été placés en un seul lieu,avec quelques dispositifs de contrôle commande qui transmettaient les signaux en retouraux vannes les plus proches sur le terrain.

Différents opérateurs pouvaient alors enregistrer leurs relevés dans un journal et réaliserquelques réglages sur les procédés d’exploitation sans devoir se rendre sur les sites aussifréquemment qu’auparavant. Naturellement, il restait nécessaire de visiter l’usine pourrégler les vannes, registres et autres éléments finaux les plus distants.


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Un concept venait de naître : il s’agissait désormais d’amener l’usine aux opérateurs plutôtque le contraire.

Du fait de l’apport de la plupart des informations nécessaires aux opérateurs, les délais deprise de décisions en matière de résultats de procédé, en ont été fortement réduits. Ildevenait ainsi plus aisé et plus rapide de repérer les interactions entre différentes portionsdu procédé.

Tout ceci était réalisé par contrôle-commande et supervision, grâce à un câblage direct etdes signaux analogiques. L’avantage était qu’il ne fallait pas trop de câblage (ou decanalisations, pour le cas d’installations pneumatiques).

Mais l’inconvénient était qu’il n’existait qu’une faible marge de contrôle commande, desupervision et d’alarme.

Figure 1: Évolution : Toutes ces opérations étaient réparties


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3. ÉVOLUTION DU CONTRÔLE DE TRAITEMENT DE L’USINE

3.1. DES SALLES DE CONTRÔLE PLUS SOPHISTIQUÉES

Après la seconde guerre mondiale, les commandes électriques sont devenues plusrobustes et pratiques pour un usage en environnements industriels.

De plus nombreuses mesures devenaient alors possibles du fait de la baisse du coût descapteurs.

En outre, il commençait à exister de nouveaux types de capteurs pour mesurer desparamètres impossibles à mesurer jusqu’alors. Par ailleurs, il devenait possible de

mesurer un plus grand nombre de paramètres en ligne, plutôt que de prélever deséchantillons de laboratoire.

La taille des contrôleurs était plus petite, de sorte qu’un plus grand nombre d’entre euxpouvait tenir sur un même tableau et une surface réduite. Tout cela a conduit à une sallede commande plus complexe, d’où le besoin d’un câblage plus important vers ce lieu.

Cela présentait des problèmes de gestion des informations pour les opérateurs, outre lesdéfis en termes de logistique de gestion du signal pour l’ingénieur d’instrumentation.

3.2. COMMANDE CENTRALE DE L’ORDINATEUR CENTRAL

À mesure que les progrès technologiques ont fait baisser les prix des ordinateurs, ceux-cisont devenus plus courants, sur les installations plus grandes et plus complexes. Cela aainsi permis le développement accru des salles de commande centralisée.

Si ces ordinateurs pouvaient désormais traiter toutes ces nouvelles données, ils n’enrestaient pas moins conçus d’abord pour les entreprises. Au cours des années 60 - 70,deux types d’ordinateurs pour la commande des procédés sont apparus :

Commande numérique directe (CND)

Commande analogique commandée numériquement (DDAC)

3.2.1. Commande numérique directe (CND)

Figure 2: Ordinateur central pour commandenumérique directe (DDC)


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Avantages :

Contrôle commande sophistiqué

Contrôle commande souple

Acquisition de données et alarme

Inconvénients :

Fiabilité de l’ordinateur

Ordinateurs ou contrôleurs redondants

Câblage complexe et étendu

L’interface homme machine nécessitait des opérateurs de haut niveau

Cherté

3.2.2. Commande analogique commandée numériquement (DDAC)

La DDAC est le plus souvent appelée Contrôle commande de surveillance

Figure 3: Commande analogique commandée numériquement (DDAC)

Avantages :

Fiabilité élevée

Interface homme – machine appropriée

Acquisition de données et alarmes

Contrôle commande sophistiqué

Redondance complète

Inconvénients :

Câblage et installation complexes


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Difficulté à mener des modifications de stratégie

Cherté

Cette salle centrale de contrôle-commande offrait ainsi une image bien plus précise del’exploitation globale de l’usine. En revanche, une fois toutes les parties distantes del’usine reliées à cette salle unique, les éléments suivants devenaient très coûteux du faitdes :

Parcours des nombreux câblages de contrôle-commande, chemins de câbles etdispositifs de manutention

Conception de l’ingénierie

Main d’œuvre relevant de l’installation des lignes et raccordements

Problèmes inhérents à une modification de la stratégie de contrôle-commande

Un problème grave apparaissait également : une panne sur l’ordinateur pouvait alorsprovoquer l’extinction de l’usine entière ! Pour résoudre cela, des contrôleurs de secoursétaient souvent introduits dans le système informatique.

Afin d’assurer une meilleure fiabilité du système, il fallait fréquemment dupliquer lessystèmes de contrôle (soit 2 jeux de contrôle-commande pour chaque élément). Cetteredondance impliquait ainsi souvent l’emploi d’instruments analogiques pour permettre à

l’usine de continuer de fonctionner.

Les opérateurs devaient ainsi être en mesure de faire fonctionner les ordinateurs et maisaussi de connaître le contrôle-commande de procédé. Il était par conséquent difficile detrouver du personnel qualifié, dont le salaire était donc particulièrement élevé.

L’emploi d’un ordinateur de contrôle pour la gestion des points de consigne et autresparamètres sur les contrôleurs analogiques permettait d’éviter la perte de signal au niveaudes éléments terminaux à l’arrêt de l’ordinateur. Cela n’économisait pas le double systèmede contrôle commande, mais au moins les opérateurs pouvaient-ils éviter d’apprendre àgérer le procédé par l’ordinateur. Si l’ordinateur de contrôle était bien implémenté, lesopérateurs pouvaient aller jusqu’à en oublier la présence.

Ce contrôle commande par ordinateur centralisé présentait avantages et inconvénients :

Avantages :

Vision centralisée de l’exploitation mieux organisée,

Stratégies de contrôle plus flexibles,

Alarmes bien plus souples et efficacies


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Possibilité accrue de disposer d’un historique et d’un journal des évènementssignificatifs.

Inconvénients :

Beaucoup de câblage

Risque considerable sur l’usine

Extensibilité limitée.

En effet, il était difficile d’étendre les solutions sans reprogrammer l’ordinateur au complet.Corriger ces inconvénients coûtait cher.

Le coût élevé du contrôle-commande de l’ordinateur central impliquait que l’on n’emploieles ordinateurs que pour des exploitations suffisamment étendues ou des procédéssuffisamment critiques pour justifier l’effort nécessaire pour une telle automatisation.

Un contrôle-commande de type informatique est désormais devenu plus incontournable.En effet, avec la maturité, chaque industrie doit optimiser ses méthodes de traitement. Lecoût induit par les matières premières, déchets, pollution et la conformité auxrèglementations nationales est devenu un élément toujours plus important dans l’efficacitéde l’exploitation industrielle.

3.3. CONTRÔLE RÉPARTI DES PROCESS

Le démarrage du Contrôle réparti est devenu possible du fait des capacités destechnologies vidéo de juxtaposition permettant d’afficher des données, voire même pourl’opérateur d’initier des actions de contrôle-commande « par vidéo ».

La salle de contrôle central rassemblait les informations sans que tous les traitements nesoient situés en un seul lieu, ce qui répartissait les risques.

Le coût et la complexité du câblage pouvaient en outre être amoindris par l’emploi d’unsignal numérique passant par un simple câble servant de réseau de communication(autoroute de l’information), reliant ainsi les différentes parties de l’usine. Le secret duparcours de tous ces signaux est en fait une vieille technologie : le télégraphe.

L’emploi du code Morse était effectivement la communication numérique de valeursanalogiques (information de type voix, comme pour la radio).

L'architecture répartie de procédés permet une répartition fonctionnelle des tâches entredifférents processeurs, ce qui réduit les risques d’une panne globale. À mesure que desméthodes de réduction des boucles de masse ont fait leur apparition, la répartition

physique est également devenue possible. Ces éléments critiques ont dès lors commencéà ouvrir des possibilités pour fixer les informations centrales sur le contrôle local pour lessites où cela était capital.


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Figure 4: Passage de l’ordinateur central à ordinateur réparti

Cette vision de l’exploitation de l’usine depuis la salle de contrôle central offre à l’opérateurune fenêtre unique sur l’ensemble du procédé. Et les opérateurs n’ont plus à faire le tourde l’usine.

C’est du bout des doigts qu’ils font désormais la visite, en visualisant chaque contrôleur ougroupe de contrôleurs sur leur écran pour superviser le déroulement de leur traitement.Si nécessaire, ils peuvent aisément faire le point et commander des modifications depuisleur clavier, comme ils peuvent gérer toutes les alarmes en cas d’alerte sur un procédé.

Par ailleurs, si nécessaire, une usine peut disposer de plusieurs postes opérateur sur ce

réseau. Un poste d’opérateur local peut être implanté sur une partie spécifique de l’usine,directement sur la même autoroute d’information ou directement câblé sur un ensemble deboucles de contrôle.

Côté avantages, le contrôle-commande réparti impliquait de moindres parcours de câbles,l’absence de câblage entre contrôleurs et salle de commande, un moindre risque depannes et un système plus évolutif, pour le cas où il faudrait étendre le système, sans tropde coûts de remplacement.

Côté inconvénients, ces systèmes de contrôle réparti présentaient toujours des capteurset éléments finaux reliés à des armoires de contrôle-commande et les branchements entre

composants provenant de différents fabriquants pouvaient présenter un certain nombre dedifficultés. C’est à cela que répondent les E/S numériques ou bus de terrain.


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3.4. SYSTÈMES DE PROCESSEURS RÉPARTIS

Les assemblages électroniques à distance d’un système de contrôle-commande réparti de

processeur sont constitués d’un certain nombre de « micro-ordinateurs » spécialisés,appelés microprocesseurs. Il en va de même pour les postes opérateurs et moniteursvidéo qui fournissent l’affichage et jusqu’aux imprimantes et lecteurs de disquettescontiennent des microprocesseurs spécialisés.

Connectés à une fonction et en conjonction les uns avec les autres, cette combinaisond’ordinateurs établit un système réparti de microprocesseurs.

Certains puristes seront mécontents de cet emploi un peu vague des définitions. Cela dit,ces puristes ne sont jamais d’accords entre eux !

Voici donc quelques définitions communément admises :

Microprocesseur , μ P - circuit électronique intégré, typiquement dans un boîtiermonopuce, capable de recevoir et exécuter des instructions codées, qui assure lesfonctions de CPU et d’unité arithmétique logique (ALU), à l’exclusion de mémoire etsystèmes E/S. Microcontrôleur, μ C -Microprocesseur à temporisateur, compteur, RAM etROM incluses.

Micro-ordinateur – Basé sur un microprocesseur ou un ordinateur de petites dimensions physiques, qui tient en principe sur une petite carte de circuit imprimé et travaille à partir

d’une chaîne de données de 4, 8 ou 16 bits (et, en effet, 32 et 64 bits) mais qui présentedésormais la puissance que l’on trouvait auparavant dans les mini-ordinateurs ou PC. On parle aussi d’ordinateur personnel (PC).

Sur le plan matériel, le système de processeur réparti est un gestionnaire d’informations,un dispositif de communications qui fonctionne sur la base de technologies très différentesde celles des applications auxquelles on le dédie. Dans ce contexte système, il vise àcontrôler les procédés industriels.

Si les composants assemblés de systèmes continuent d’assurer des tâches habituelles,c’est avec des méthodes bien différentes aujourd’hui.

Si l’on comprend bien les fonctions des améliorations des microprocesseurs, on peutmieux en apprécier les possibilités. De nouvelles stratégies de contrôle-commandepeuvent être pensées et de nouveaux capteurs et actionneurs pourront être développéspour tirer le meilleur parti de la puissance de gestion des informations du microprocesseur.

Comme vu précédemment, ces progrès matériels sont inhérents à la moindre taille, au prixréduit et à la fiabilité accrue de la technologie de ces composants. L’architecture ducontrôleur est passée d’un ordinateur central unique qui assurait toutes les tâches decontrôle et offrait à la fois l’affichage, le traitement et la communication, avec les entrées etles sorties à une architecture de processeurs répartis sur le système.


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Ces processeurs peuvent être associés pour assurer les fonctions spécifiques de contrôle-commande de proccédé, communication entre contrôleurs et affichage et gestion desinformations du système de contrôle.

L’étape intermédiaire entre ces deux étapes a été l’évolution de ces micro-ordinateursspécifiques vers des contrôleurs propriétaires et postes opérateurs.

Le matériel (hardware) était propriétaire parce que dans les années 1960, 1970 et 1980,les ordinateurs normaux ne présentaient pas la vitesse de traitement et la capacité demémoire pour fonctionner en temps réel, c’est à dire répondre immédiatement aux actionsdu procédé et informer l’opérateur et lui indiquer ce qu’il doit faire ensuite.

Systèmes propriétaires : chaque fabricant ayant dû trouver un moyen d’obtenir lesdonnées aussi vite que nécessaire, chacun a dû modifier sa technologie de départ, d’où

les différents systèmes propriétaires. Ces derniers étaient ainsi une opportunité de fourniraux clients, le plus vite et le moins cher possible, un système numérique fonctionnel, enavance sur les standards.

3.5. AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS (API / PLC) ETCONTRÔLE COMMANDE DE PROCÉDÉ

Les automates programmables industriels (API / PLC) ont été conçus pour les fonctionsd’automatisation dans les usines, lorsque l’exploitation nécessitait de nombreuses

opérations rapides, répétées, comme sur la plupart des chaînes.

Bien que ce ne soit pas typique des usines de traitement traditionnelles, certainesopérations peuvent également exploiter les capacités extrêmement puissantes d’un PLC.

Les PLC actuels peuvent être bien plus efficaces que jamais pour les opérations deséquençage, de régulation et de verrouillage. Le contrôle commande en temps réel pour leverrouillage de moteurs et équipements relatifs est une opération très pratique au sein desPLC employés dans le monde du contrôle-commande des procédés.

Un bon exemple en est notamment le contrôle des process discontinus à l’aide defonctions de gestion de procédé, configurées par ordinateur personnel (PC) ou station detravail opérateur de type PC. Les PLC les plus récents ont été employés pourl’informatique répartie, par une opération impliquant plusieurs PLC sur les réseaux.

Ces réseaux sont parfois, mais pas toujours, P2P : ainsi, un PLC peut parler avec un autrede façon directe, sans passer par un quelconque dispositif intermédiaire.

Le contrôle-commande décentralisé est désormais disponible sur la plupart des systèmesPLC actuels, par des entrées-sorties distantes intelligentes.

Parmi les applications typiques se trouvent les arrêts/démarrages des équipements et lesverrouillages de sécurité, le filtrage, groupage simple, emballage, embouteillage et


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manipulation de matériel. Les PLC sont le plus souvent une alternative bon marché auxDCS, dont les stratégies sophistiquées de boucles de traitement ne sont pas nécessaires.

Parmi les avantages les plus puissants des PLC dans le contrôle-commande de procédé :

Excellentes capacités de traitement logique ; personnel opérationnel et demaintenance aux États-Unis et langage ladder facile à comprendre !

Grande rapidité, possibilité de détecter un dysfonctionnement en quelquesmilisecondes

Très bon marché, ce qui permet de les adapter aux fonctions du produit

Tolérance en milieu hostile ; ne nécessitent pas de salle blanche comme nombre

d’autres ordinateurs et DCS traditionnels (atmosphère cependant non corrosive )

Grande fiabilité, produit qui a démontré sa facilité de maintenance

Niveau élevé de flexibilité et évolutivité

En principe, très compacts et ne nécessitant pas beaucoup d’espace.

Parmi les principaux inconvénients des PLC dans le contrôle-commande :

Non-déterministes : incapacité à prédire les temps de réponse, catastrophique pour

le contrôle commande des PID ! (Les PLC ne peuvent être déterministes que si uneinterruption temps réel est disponible [et si employés sur PID])

Limitation des capacités de boucle de contrôle continu, notamment pour lesstratégies de contrôle de procédé, telles que la mise en cascade de plusieurscontrôleurs et les techniques d’optimisation du contrôle couramment disponibles surla plupart des DCS

Nécessité pour l’ordinateur hôte ou le PC d’assurer l’interface avec les contrôles deprocess et autres opérations plus complexes

Le logiciel de contrôle de batch est typiquement indisponible chez les fournisseursde contrôle commande de procédé sur les systèmes hybrides à DCS et PLC

Les interfaces utilisateurs disponibles n’ont pas toujours la capacité de cellesaccompagnant le contrôle-commande réparti ; l’emploi d’interfaces homme-machine(IHM) d’autres fabricants limite les capacités des PLC (une jolie présentation nesuffit pas)

Nécessité de configurer les PLC, outre la configuration des ordinateurs et des DCSsur les systèmes qui conjuguent ces 2 éléments


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Les fournisseurs et distributeurs de PLC manquent d’expertise sur les procédés, cequi induit les services et coûts afférents d’un intégrateur indépendant.

Tout le monde demande régulièrement un comparatif entre DCS, PLC, ordinateurscentraux, PC et PC avec PLC, mais les produits sont en constante mutation. Chaquefournisseur propose nombre de caractéristiques diverses pour répondre à autant desituations spécifiques. Ces comparatifs sont autant de généralisations ! En réalité, la plupart des PLC se trouvent dans le monde manufacturier et la partie conditionnement desusines de traitement. Le contrôle-commande sophistiqué (contrôle multi-boucle) ne peuttypiquement pas employer de PLC pour une foule de raisons différentes.

Les PC, DCS et PLC pâtissent tous des compromis entre coût et performance, même sice ne sont pas les mêmes. On peut aisément trouver des arguments en faveur ou contretous les éléments de comparaison qui apparaissent ici ou dans presque tous les articles

de magazines disponibles. Comme pour tout, il n’existe pas de solution idéale pour prendre la bonne décision... dans le cas contraire, vous ne seriez pas là à tenter de savoircomment acheter le produit idoine pour votre usine (plus besoin d’ingénieurs, un bon decommande suffirait à tout acheter).

Pour trouver le bon système, il faut tenir compte de tous les paramètres. Comme pourchoisir entre deux marques, la décision entre PLC, DCS ou ordinateurs généralistes (ouPC), les fonctions nécessaires sont le paramètre clé. L’acheteur doit toujours avoir en têtela compréhension du procédé. (En effet, la plupart connaissent mais ne comprennent pasle procédé. La compréhension peut venir de la collecte d’informations qu’un nouveausystème pourrait offrir.)

3.6. COMPARAISON DCS ET PLC :FACILITÉ DE CONFIGURATION

Les systèmes propriétaires de DCS étaient initialement configurés comme des blocsfonctions représentant différents instruments et contrôleurs provenant du mêmefournisseur. En général, ces blocs offraient les forces et faiblesses de ce fournisseur,selon son expertise des applications sur les marchés qui lui étaient familiers.

Il n’existait pas de norme dans ce domaine, mais la plupart de ces systèmes étaient plutôtsimples à configurer. En effet, en principe, c'était aussi le fournisseur qui concevait lastation de travail pour garantir l’adéquation entre l’Interface opérateur et ces« instruments ». Outre cette simplicité, l’utilisateur était certain de disposer d’uneexploitation en temps réel et de ne pas risquer de « polluer » par inadvertance son logiciel.

Par ailleurs, les PLC venaient en principe remplacer des relais et étaient programmés soitpar logique des relais soit, si un contrôle commande plus complexe était nécessaire, dansl’un des langages évolués tels que Pascal, Basic ou encore un mélange des deux.

Une interface opérateur bien plus simple existait alors, d’un niveau de communication très

minime et d’un besoin très limité de communication temps réel entre dispositifs.


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3.6.1. Configuration typique d’un système de PLC

Chaque PLC doit être configuré à part et il faut être très organisé pour éviter de dupliquer

des repères de procédés, etc. On réserve en principe les stratégies complexes aux PLCindividuels.

Le PC doit être configuré pour communiquer avec chaque PLC pour trouver les variablesspécifiques, puis configuré pour les vues, puis les historiques, puis les tendances, etc. Lessystèmes PLC disposent en général de multiples bases de données pour configuration etappariement.

(Bien qu’employé pour l’acquisition et le contrôle de données, ce type de système n’est pas réellement un système SCADA. SCADA est un terme employé depuis plus de 40 ans pour désigner les systèmes qui font commuter un équipement au-delà du site même del’usine, à l’aide d’un téléphone traditionnel, de micro-ondes ou encore de connectionssatellite et qui nécessitent une technique unique de communications pour assurerl’intégrité dans des conditions indépendantes du contrôle de l’utilisateur.)

3.6.2. Configuration typique d’un système DCS

La configuration se fait généralement à partir d’une station de travail conçue pour unsystème particulier. Tous les contrôleurs forment une sorte de base de données permettant la communication P2P dans des stratégies complexes.

La base de données peut tenir sur une simple station de travail, avec copie sur lescontrôleurs. Il faut parfois procéder à des téléchargements pour la sauvegarde descontrôleurs redondants. Vues, historiques et tendances devront également êtreconfigurés.

Certains pourront présenter une base de données commune, selon le fournisseur (et l’âgedu système).

Les PC, le plus souvent compagnons, doivent configurer des liens uniques pour lecontrôle commande et les vues, etc. sur une base de données indépendante, comme pourles systèmes PLC.

Les systèmes DLC présentent en général une base de données unique et ne doivent pasêtre régulièrement synchronisés entre eux.


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3.7. SYSTÈME SCADA

Ces dernières années, l’emploi du terme SCADA (système d'acquisition et de contrôle dedonnées) a très souvent été appliqué à des systèmes qui sont en réalité des systèmesd’acquisition de données qui assurent aujourd’hui également le contrôle.Mais ce n’a pas été là la définition de ce terme au cours des 50 dernières années. Àgrande échelle, les véritables systèmes SCADA ont été employés pour des actions decontrôle-commande et de collecte d’informations à distance de l’usine.

Ces systèmes SCADA n’ont en principe pas été employés pour le contrôle de processmais plutôt pour le démarrage et l’arrêt d’unités distantes, comme par exemple dans le casdes transformateurs de puissance distants ou des pompes à eau ou à gaz sur lespipelines.

Figure 5: Système classique SCADA

Le plus souvent, la liaison ne se fait pas par câble mais par transmission radio, lignetéléphonique, voire même satellite. Les délais sur ces systèmes SCADA ont imposé de nepas se fier au contrôle-commande des détails du process lui-même à distance.

La partie de contrôle commande n’était censée qu’éteindre ou allumer des unitésparticulières ou court-circuiter des unités qui auraient subi des dommages, suite parexemple à un orage ou un accident. Les sociétés de distribution d’énergie ont toujours àfaire face à des évènements de ce type.

Toutes les communications dans de telles transmissions à distance, comme pour unsystème SCADA doivent tolérer de longs délais entre la demande d’action et l’occurrencede l’action. Autre sujet d’inquiétude, les fréquentes interruptions imprévues d’un signaltransmis.

Cela interdit en principe tout procédé d’action continue, qui nécessite une exploitation àmeilleur temps de réponse. Pendant des décennies, des technologies exclusives ont étémises en œuvre pour contrecarrer ces limitations de contrôle, comme par exemple cesroutines extrêmement rigoureuses de « contrôle avant exécution » sur toute transmissionde données.


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3.8. RÔLE ACCRU DES ORDINATEURS PERSONNELS (PC)

Bon gré mal gré, le milieu des années 90 est devenu l’ère du Microsoft de Bill Gates, qui

est toujours plus influent sur l’ensemble de notre technologie.

Le volume des produits Microsoft et les volumes des produits compatibles a créé desnormes de fait et des ordres de prix imbattables. En quelques courtes années, ceci a filtrédans toutes les gammes de produits de contrôle-commande de process, outre les produitscommerciaux et les pratiques professionnelles en découlant.

La première partie d’architecture système dans laquelle le PC apparaît comme le dispositifle plus demandé par les utilisateurs est la station de travail. UNIX a été le cheval debataille de la capacité et de la stabilité de puissance de traitement. Au fil des ans, il estdevenu le socle incontesté de la fiabilité d’utilisation pour les opérations d’importancevitale. Cependant, Windows NT ou ses successeurs prendront le pas sur lui.

Prix, puissance et caractère universel sont ce qui génère la demande des utilisateurs, quisouhaitent ensuite également de la robustesse pour ces produits.

Le secteur des contrôles de procédés n’a quant à lui jamais bénéficié de l’avantage duvolume pour la plupart des produits qu’il utilise.

Contrairement aux systèmes commerciaux ou, à plus forte raison, aux produits grandpublic. Il suffit de comparer le nombre d’usines de béton soutenues par les exigences

économiques modiales au nombre de postes de TV, micro-ondes, jeux vidéo (listeinterminable) en bénéficiant. Les prix chutent à mesure que les volumes croissent. Larecherche en nouvelles technologies répondra toujours aux marchés qui peuvent soutenirces investissements. Les autres utilisateurs n’ont qu’à attendre les résultats puis modifierla technologie pour leur propre usage.

Quelques exceptions. En 1970, Honeywell Industrial Division (Fort Washington,Pennsylvanie – États-Unis) a financé le développement du premier microprocesseur 16-bits de General Instrument, afin de créer le TDC2000, premier système de contrôle répartiayant rencontré un succès commercial. Ils ont dû amortir les coûts induits par 8 bouclesde contrôle qui pouvaient justifier cette dépense puis adapter le coût de contrôleurs à

boucle unique. (8 bits n’y auraient pas suffi). Et cela 10 ans avec les premiers PC 16-bits !


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4. QU’EST-CE QU’UN DCS ?

Un Système Numérique de Contrôle Commande est, avant tout, un ordinateur spécialisé.

Figure 6: Exemple de DCS

On trouve généralement ses divers éléments sur un bus fond de panier:

Une alimentation,

Un contrôleur qui est l'ordinateur proprement dit,

Une (ou plusieurs) cartes de communication par réseau de terrain,

Une (ou plusieurs) cartes de communication par réseau avec des ordinateurs,

Une (ou plusieurs) cartes de communication par liaison série RS232 ou RS422 /RS485,

Des cartes d’entrées / sorties classiques (entrées analogiques, sortiesanalogiques, entrées logiques, sorties logiques).

DCS veut dire Distributive Control System et plus souvent appelé en Europe sous le nomde SNCC (Système Numérique de Contrôle Commande).


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5. QUELLE DIFFERENCE AVEC UN AUTOMATE PLC ?

Aucune, sinon que pour un PLC c'est le traitement les entrées/sorties logiques qui estfavorisé alors que pour un DCS c'est le traitement des entrées/sorties analogiques qui estplus spécifiquement à la base de la conception.

Un système DCS est donc tout simplement destiné aux réglages de boucles de régulation,aux enregistrements de toutes les mesures dont nous avons besoin, surveillance de tousles paramètres nécessaires au procédé.

Il reste une différence pour les cycles de scrutation qui sont généralement plus rapides surPLC que sur DCS (normal vu que nous scrutons que des entrées sorties logiques sur unPLC !!).

En fait la distinction entre DCS et PLC est de plus en plus une question historique (oud'habitude) et de moins en moins une réalité profonde.

D'ailleurs DCS et PLC utilisent les mêmes langages de programmation définis par lanorme IEC 61131-3.

Quand au superviseur , il est extérieur au DCS (ou au PLC). C'est un programme dans unordinateur extérieur qui est chargé de réaliser l'interface nécessaire à la conduite parl'homme des processus industriels.

Généralement les PLC sont fournis sans superviseur (SCADA) dans la configuration debase alors que les DCS sont fournis avec leur superviseur dédié d'où certaines confusionscourantes entre DCS et superviseur.

Figure 7: Principe du système de supervision


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6. LA PARTIE HARDWARE : STRUCTURE D’UN DCS

Figure 8: DCS SIEMENS S7-400

6.1. L’EMBASE

L’embase est tout simplement le rack sur lequel vous allez enficher toutes vos cartesd’entrées sorties, la carte d’alimentation, la carte CPU (microprocesseur associé à lamémoire) et enfin votre carte de communication.

L’embase est très pratique car l’alimentation de l’automate est répartie sur tous lesmodules de cette embase en fond de panier, donc une seule alimentation suffie (via la

carte d’alimentation).

Elle se fixe sur un châssis d’armoiregrâce à son rail DIN.

Vous avez plusieurs variantesd’embases qui sont définies en fonctiondu nombre de modules à interconnectersur celle-ci (exemple : 9 ou 18 modulesmaximum par embase).

Figure 9: Embase


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Les embases se fixent dans des armoires que l’on appelledes baies de largeur 19 pouces. Voici un exemple de baie

selon la figure ci.

Figure 10: Exemple d’armoire DCS

Dans ce type d’armoire, vous aurez le plus souvent à présentdeux serveurs installés et raccordés au réseau du DCS.

Nous verrons aussi dans ce cours à quoi servent lesserveurs.

6.2. L’ALIMENTATION

La carte d’alimentation sert à alimenter toutes les cartes del’automate installées sur l’embase. Ce type de carte estalimenté le plus souvent en 24 VCC par l’intermédiaire d’unealimentation filtrée stabilisée 230VAC/24VCC.

Il faut toujours prévoir pour une alimentation

d’automate un départ 230VAC pris sur l’ondulé.

Figure 11: Divers cartes d’alimentation

Vous pouvez remarquer que vous avez une pile sur lacarte d’alimentation, surtout ne vous amusez pas à lesprendre pour votre télécommande de téléviseur carces piles sont très utiles au DCS.


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6.3. LES CARTES D’ENTRÉES/SORTIES

6.3.1. La carte d’entrée logique

La carte d’entrée logique va nous permettre de surveiller toutes lesentrées logiques de types suivants (entre autres):

Fin de course de vanne,

Bouton poussoir,

Retour de marche moteur,

Pressostat,

Thermostat,

Détecteur de niveau,

Figure 12: Carte d’entrée logique

Les cartes d’entrées logiques (Digital Input en anglais) peuvent être de

8,16 ou 32 voies.

Elles sont équipées de LED qui permettent de nous indiquer l’étatlogique des entrées affectées sur la carte.

6.3.2. La carte de sortie logique

La carte de sortie logique va nous permettre de commander tous lesactionneurs de types suivants (entre autres):

Électrovanne,

Commande de moteur,

Voyant lumineux,

Figure 13: Carte de sortie logique

Les cartes de sortie logique (Digital Output en anglais) peuvent êtrede 8,16 ou 32 voies. Elles sont aussi équipées de LED qui

permettent de nous indiquer l’état logique des sorties affectées sur lacarte.


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6.3.3. La carte d’entrée analogique

La carte d’entrée analogique va nous permettre d’avoir toutes lesmesures, entre autres, de types suivants dans l’automate :

Pression,

Débit,

Température,

Niveau,

Figure 14: Carte d’entrée analogique

Les cartes d’entrée analogique (Analog Input en anglais) peuvent êtrede 4,8 ou 16 voies

6.3.4. La carte de sortie analogique

La carte de sortie analogique va nous permettre de réguler tous lesactionneurs suivants :

Vanne de régulation,

Variateur de vitesse,

Figure 15: Carte de sortie analogique

Les cartes de sortie analogique (Analog Output en anglais) peuventêtre de 4,8 ou 16 voies.

Faites bien attention car les cartes d’entrées et sorties analogiques seressemblent, il est donc préférable de bien regarder les références decartes qui sont souvent indiquées sur chaque carte.

En fonction des références, vous devez consulter la documentationconstructeur pour être sûr du type de cartes que vous installez. Celapeut arriver de se tromper !!!!.


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6.3.5. Le Microprocesseur

Le microprocesseur est le cerveau del’automate, c’est lui qui va gérer toutes lesentrées sorties de l’automate en fonction duprogramme qui lui a été implanté. Nousverrons son fonctionnement exact dans leschapitres suivants.

Figure 16: Microprocesseur associé à unemémoire

Chaque CPU est équipée d’un commutateurde mode permettant de changer de mode defonctionnement. Celui-ci est principalementun commutateur à clef amovible qui permetde basculer dans les modes defonctionnement MARCHE (RUN) et ARRET(STOP).

Les modes de fonctionnement suivants sontpossibles :

RUN-PExécution du programme.

Toutes les fonctions PG sont autorisées

RUNExécution du programme.

Seules les fonctions PG lecture sont autorisées

STOPLe programme n’est pas exécuté.

Toutes les fonctions PG sont autorisées

MRES Position dans laquelle un effacement général peut être effectué

Figure 17: Les divers modes de fonctionnement d’une CPU

PG veut dire console de programmation.

Effacement général : Cette fonction efface toutes les données utilisateur de la CPU. Il

doit être effectué une fois avant le début de la programmation (en début de projet parexemple).

Commutateur de modede fonctionnement

Mémoire


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Ceci a lieu en plusieurs étapes :

Etape Action Résultat

1Mettez le commutateur de mode defonctionnement en position STOP

Le témoin STOP s’allume

2

Mettez le commutateur en position MRES etmaintenez-le dans cette position (environ 3

secondes) jusqu’à ce que le témoin STOP serallume.

Le témoin STOP s’éteint et après envoron 3secondes, s’allume à nouveau.

Pour les nouvelles CPU, attendez que letémoin STOP s’allume une seconde fois.

Important : Entre les étapes 2 et 3, il doit

s’écouler au maximum 3 secondes

3Remettez le commutateur en poistion STOP etensuite remettez en position MRES après un

délai de 2 secondes

Le témoin STOP clignote pendant environ 3secondes et se rallume ensuite.

Tout est OK – l’effacement général de la CPU a été exécuté

Table 1 : Les étapes d’un effacement général de la CPU

6.3.6. La carte de communication

La carte de communication va permettre de communiquer en réseau avec plusieursautomates, nous pouvons associer un pc fixe pour la programmation de l’automatepar l’intermédiaire d’un coupleur.

Elle sert aussi au technicien de maintenance qui peut connecter son pc portabledessus pour vérifier ce qu’il ne fonctionne pas.

Figure 18: Carte de communication

Vous pouvez remarquer sur la photo que vous avez deux ports Ethernet, c’est cequ’il va permettre de connecter vos pc avec un câble réseau RJ45.


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Tous deux devaient se convertir au numérique. Désormais des valeurs à alarme en uneboucle pouvaient déclencher des actions en cascade. Outre le fait pas si évident qu’unnombre « infini » de câbles peut venir se brancher sur un point numérique sans « charge »

électrique...

Par le passé, cette dernière idée engendrait une sévère restriction sur les capacités àdévelopper différentes stratégies de contrôle.

Cette nouvelle liberté par rapportau matériel et câblage réel permetaujourd’hui différentes stratégiesde contrôle qui étaient plusqu’hypothétiques autrefois pourdevenir pratiques et bon marché.

Ils offraient ainsi une nouvelleopportunité d’introduire la notionde productivité encore impensableauparavant en la matière : unenouvelle vision !

Figure 20: Plusieurs boucles partagent le même contrôleur

numérique

6.4.2. Architectures du contrôleur

Ces dispositifs électroniques appelés contrôleurs présentaient fréquemment des cartes defonction spécifique aux premières étapes de leur conception. Il y avait ainsi une carteparticulière, dédiée spécifiquement aux entrées et sorties, ainsi qu’une carte pour stockertous les algorithmes (ou blocs fonctions) employés dans ce système.

D’autres cartes agissaient comme calculateur, assuraient le stockage de la base dedonnées, la communication numérique sur l’autoroute de l’information ou encore la

communication avec les dispositifs externes reliés à distance à ce contrôleur, etc.

Au milieu des années 90, deux architectures très générales de contrôleurs sont apparueset ont investi la plupart des DCS toujours en exploitation, parmi les dizaines de milliersexistant dans le monde entier. Ces deux types ont influencé l’approche retenue dans lesconceptions les plus récentes et il vaut mieux en comprendre le fonctionnement,notamment si votre société en utilise quelques-uns.

Les deux versions reposent sur un traitement réparti, mais de façon spécifique. Pour laversion à fonction partagée, toutes les boucles arrivant sur ce contrôleur particulierpartageaient plusieurs cartes à microprocesseur (Figure ci-dessous).


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Les microprocesseurs étaient fonctionnellement répartis entre traitement E/S, traitementcontrôle-commande, traitement de communication, etc. Pour cette structure particulière,les mêmes jeux de cartes étaient employés pour toutes les versions de contrôle, dans la

plupart des cas. Ainsi, tous les contrôleurs étaient identiques sur le plan matériel etrelativement faciles à maintenir et faire évoluer de façon unique.

On pouvait les reconnaître parce qu’ils disposaient de telle carte en carte de sortie (ou encarte ou encore station de stockage), carte de conditionnement, de base de données,d’algorithme, de communication externe. Ces cartes étaient en principe accompagnéesd’autres cartes nécessaires, telles que carte d’alimentation ou d’autoroute de l’information.

Les premiers contrôleurs EMC, Fischer andPorter, Foxboro Microspec, Honeywell.TDC2000, Leeds & Northrup's MAX 1, Moore

Products MYCRO et Powell System's Modiconétaient plutôt de ce type.

Figure 21: Structure physique de contrôleur(contrôleur à fonction partagée)

Le principal avantage du contrôleur à fonctions partagées est que tous les contrôleursdisposent des mêmes jeux matériel/logiciel, ce qui facilite les commandes, installations,modification de commandes, formation, maintenance et stockage des pièces.

Le second type classique de construction reposait sur des cartes individuelles àmicroprocesseur pour chaque boucle ou jeu de boucles (Figure ci-dessous).

Certaines cartes étaient dédiées au contrôle de boucle et d’autres au contrôle logique. Lesfonctions de sortie, entrée, conditionnement du signal, etc. étaient assurées sur chaquecarte par le même processeur. Il y avait également d’autres cartes dédiées à laprogrammation, selon le jeu standard d’algorithmes du fournisseur. Souvent, ces cartessont dites multifunctions, multitâches...

Les différentes combinaisons decartes étaient uniques pour chaque

rack de contrôleurs, selon lacommande client.

Figure 22: Structure physique decontrôleur (rack de contrôleur àboucle individuelle)

Chaque rack contrôleur pouvait enoutre disposer d’une carted’autoroute de l’information et d’unecarte d’alimentation, parfois d’autrescartes de diagnostic ou encore decircuit de commande pour faire


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communiquer toutes ces cartes entre elles. Les systèmes de l’époque étaient le plussouvent des Bailey, Fisher Controls, Foxboro IA, Rosemount, Taylor et Toshiba.

Le principal avantage de l’approche à contrôleur à boucle individuelle est que la perted’un processeur n’a d’influence que sur une boucle ou un petit groupe de boucles.

Les conceptions ultérieures ont commencé à agencer ces idées peu évidentes à classifier,tirant avantage de la puissance toujours croissante des processeurs et capacités demémoire. Fruit de ces deux conceptions initiales, une conception plus courante est née,où toutes les fonctions sont embarquées sur une même carte ou un même module.

En général, les architectures commercialisées au milieu des années 1990 utilisaient descontrôleurs multifunctions plutôt que des contrôleurs de boucle, de logique ou d’applicationspécifique. Cette approche offre également les avantages du jeu matériel/logiciel unique.

C’est la forme que prend le contrôle programmé au sein des PC. L’avantage de bouclesmultiples sur la même carte permet même de très puissantes stratégies de contrôlemultiboucles.

Cette possibilité écarte l’objectif d’intégrité de boucle simple, quasiment impossible à tenir,quelle que soit la stratégie de contrôle de verrouillage choisie.

La seule protection pour les actuelles stratégies de contrôle est le contrôleur redondant,désormais plus pratique et meilleur marché qu’auparavant.

Attendez-vous à voir un usage

plus étendu des langages àmultiple configuration sur lemême module.

La norme IEC 61131-3 définit 5de ces langages, chacun ayantconnu le succès avec plusieursfournisseurs de PLC.

Figure 23: Module de contrôlesimple à langages multiples

4 de ces langages reposent sur des blocs fonction pour contrôle continu, logique ladderpour besoins numériques, diagrammes fonction séquentielle pour séquençage et contrôlede lots et textes structurés pour calculs complexes. (Le 5ème est équivalent à l’assembleur,peu convivial pour la configuration de procédé).

Un seul fournisseur de process a utilisé des langages multiples de configuration sur unmême module depuis 1992 et offre la possibilité de mêler la configuration de tous leslangages sur la même technique graphique. La plupart des autres fournisseurs

commencent à employer un ou plusieurs des langages IEC pour leur configuration decontrôle.


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6.5. STRUCTURE LOGICIELLE DES CONTRÔLEURS

Les contrôleurs analogiques des débuts ont influencé les premières conceptions

matérielles mais aussi le logiciel. Ce dernier devait assurer les fonctions réelles descontrôleurs, mais de nouvelles fonctions sont nées des exceptionnelles possibilités deslogiciels.

Ce sont plus exactement de nouvelles combinaisons de fonctions qui sont devenuespossibles et qui continuent de permettre de nouvelles solutions, à moindre coût. C’est là lepassionant domaine du développement, qui modifie et fait fortement évoluer tout ledomaine du contrôle commande.

6.5.1. Programmation

Dans le domaine des PC, on parle souvent de matériel, logiciel et micro-logiciel.

Le matériel (Hardware) est la partie physique, visible et palpable de l’ordinateur.

Le logiciel (Software) est l’ensemble des instructions dans le PC, ce qui le fait fonctionner.

Le micro-logiciel (Firmware) est quant à lui ce qui fait tourner la PROM et reste immuable,faisant tourner certaines routines toujours de la même façon, comme un algorithme pourun contrôleur trimodal, un multiplicateur ou un diviseur.

Les calculateurs de poche fonctionnent sur un micro-logiciel. Grâce à la PROM, le bouton+ ajoute systématiquement et le bouton x multiplie. Si vous ôtez puis remettez les piles,ces boutons continuent de réaliser la même tâche. Cependant, la machine ne peut retenirles derniers calculs avant le retrait des piles !

Ces valeurs étaient contenues dans la RAM.

La programmation du micro-logiciel doit être complète et très spécifique. Lesmicroprocesseurs du contrôleur de process ont en général été programmés pour réaliser

un certain nombre de routines de base, définies par commandes. Il en va de même quepour la procédure normale d’exploitation sur un site militaire.

Les routines sont inaccessibles, la combinaison correspondante de bits est stockée dansla mémoire morte (ROM), inaccessible à l’utilisateur. Il existe une routine très basique quicommande à la CPU de considérer une instruction pour un registre particulier, réaliser lacommande que cette instruction définit puis passer à l’instruction suivante. En l’absenced’instruction, elle attend et scrute périodiquement, jusqu’à apparition d’une autreinstruction, qu’elle traite.

Pour généraliser un peu, les instructions dirigent les informations qui sont stockées sur

une adresse spécifique de la mémoire, fournies au microprocesseur, puis placées sur un


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registre de données. Elles sont ensuite transmises à une unité arithmétique logique (UAL),dans laquelle les données subissent les opérations arithmétiques ou logiques.

Les informations peuvent être stockées temporairement sur un autre registre ditaccumulateur, pour être combinées à d’autres parties de données, appelées par uneinstruction subséquente. Aussi rapidement que possible, les informations modifiées sontenvoyées par la CPU pour nouveau stockage dans une mémoire.

On peut ainsi réaliser des tâches spécifiques. Les unités de mémoire dans lesquelles cesinformations traitées sont stockées ne se trouvent pas dans la mémoire morte (ROM) maisdans la vive (RAM), qui est accessible au programmeur.

Le programmeur peut combiner les commandes que le microprocesseur peut exécuterdans un ordre consécutif spécifique qui répondra à ses besoins. Dans notre analogie avec

le camp militaire, ce programme est comparable à la série d’activités assurées par lesrecrues, visant à en faire des soldats.

6.5.2. Organisation du temps d’exécution pour les actions de contrôle

Selon le fournisseur, le fonctionnement du logiciel répond à différentes caractéristiques,selon la conception retenue. Comme pour le matériel, la conception logicielle peut varier,pour une même fonction.

Dans un logiciel, le microprocesseur lit les lignes de code correspondant à une fonction.

Le temps de lecture de toutesles lignes de code est le tempsde balayage.

Le concepteur dispose dedifférentes approches pourl’exécution de son logiciel, demême que pour l’assemblagedes parties matérielles.

Figure 24: Exécution defonction de contrôle


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6.5.3. Progrès dans la structure logicielle

Les progrès réalisés dans les systèmes répartis ont également largement bénéficié desnouvelles approches en cours et permettent de configurer les systèmes informatiquessans pour autant être programmeur.

L’objectif est que l’ingénieur d’usine qui a en charge le développement des systèmes decontrôle-commande des procédés puisse, sans être programmeur, comprendreparfaitement la programmation pour faire fonctionner son système de contrôle commande.

Cela dit, les éléments nécessaires au contrôle commande ont évolué en quelques annéesde la programmation à la configuration.

6.5.4. Programmation contre configuration

Il se peut que vous connaissiez le détail du fonctionnement d’une ampoule, cela dit, cen’est pas capital pour utiliser la lumière produite. Vous avez juste besoin de pouvoirtourner le bouton et d’être suffisamment éclairé pour travailler. La conception d’unsystème de contrôle repose sur ce même principe.

Le code machine était le langage deprogrammation initial. Dans les faits,

tout code d’un processeur revient à cela(compilé, en somme).

Plus de mémoire et de puissance detraitement ont permis la naissance del’assembleur, ce qui a facilité laprogrammation, du fait de sa« traductibilité ».

Figure 25: Passage de la

programmation à la configuration

L’exemple de l’assembleur présenté ci-dessus donne les informations suivantes :

Charger un registre A d’accumulateur avec la valeur stockée dansl’emplacement mémoire TEMP

Soustraire 150 à la valeur de température stockée dans l’accumulateur A etplacer le résultat dans A

Si la valeur de l’accumulateur est inférieure à zéro, aller à l’instruction LOOP1,

sinon


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Charger A avec un nombre spécifique (qui va faire démarrer le moteur)

Stocker le contenu de l’accumulateur A dans l’emplacement MOTOR (fait

démarrer le ventilateur de moteur)

La logique des relais es

automatisme centralise-dcs.pdf

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