Fiche de révision : Bases de l’automatisme

📋 Plan du Cours

1. Systèmes automatisés et automatisation
2. Parties d’un système automatisé
3. Types de commande automatisée
4. Systèmes de numération et conversions
5. Codes numériques
6. Algèbre de Boole et Karnaugh
7. Automates programmables et langages
8. Fonctions logiques élémentaires
9. Fonctions logiques en liste instruction
10. Instructions et application de remplissage
11. Principes et niveaux du GRAFCET
12. Structures et applications du GRAFCET
13. GEMMA et modes de fonctionnement

📖 1. Systèmes automatisés et automatisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Ensemble d’éléments en interaction dynamique, organisé en fonction d’un but.
• Système technique : Selon la norme NFE 90-001, ensemble d’éléments interconnectés de façon logique qui se coordonnent pour réaliser une tâche précise.
• Système automatisé : Réalise une fonction seul, sans intervention humaine.

📝 Points essentiels

• L’automatisation vise: le personnel par l’amélioration des conditions de travail et de la sécurité, le produit par l’amélioration de la faisabilité, de la qualité et de la fiabilité, l’entreprise par l’amélioration de la compétitivité, de la productivité, de la qualité de production et des capacités

💡 Astuce mémo

Combinatoire sans mémoire, séquentiel avec mémoire

📖 2. Parties d’un système automatisé

🔑 Notions clés & Définitions

• Partie opérative : Partie visible du système ; elle comprend les éléments mécaniques, les pré-actionneurs, les actionneurs et les capteurs.
• Actionneur : Exécute les ordres reçus et transforme une énergie pneumatique, hydraulique ou électrique en énergie mécanique.
• Capteur : Informe la partie commande sur l’évolution du système en contrôlant, mesurant et surveillant le mécanisme.
• Partie commande : Gère le déroulement ordonné des opérations, reçoit les informations des capteurs et transmet des ordres aux pré-actionneurs.
• Partie relation : Regroupe les commandes nécessaires au fonctionnement du procédé, comme la marche-arrêt, l’arrêt d’urgence, la marche automatique et la marche cycle par cycle.

★ À maîtriser

• Un système automatisé comprend trois parties en interaction:
  • la partie opérative
  • la partie commande
  • la partie relation

Compléments

• Les pré-actionneurs, tels que les distributeurs et les contacteurs, reçoivent les ordres de la partie commande.

• Les actionneurs comprennent notamment:

  • les moteurs hydrauliques
  • les moteurs pneumatiques
  • les moteurs électriques
  • les vérins linéaires
  • les vérins rotatifs
  • les vérins sans tige

💡 Astuce mémo

Capteurs → commande → pré-actionneurs → actionneurs

📖 3. Types de commande automatisée

🔑 Notions clés & Définitions

• Système combinatoire : Fonctionne sans mémoire : une combinaison des variables d’entrée active un état de sortie déterminé.
• Système séquentiel : Effectue les opérations étape par étape et une même combinaison d’entrée ne commande pas toujours les mêmes sorties.

📝 Points essentiels

• La logique câblée peut être électrique ou pneumatique, tandis que la logique programmée peut utiliser un automate, un microprocesseur ou un programme.

💡 Astuce mémo

Combinatoire = sorties liées aux entrées ; séquentiel = sorties liées aux étapes

📖 4. Systèmes de numération et conversions

🔑 Notions clés & Définitions

• Système binaire : Fondé sur les deux états 0 et 1 utilisés par les circuits électroniques.

★ À maîtriser

• Les quatre systèmes de numération étudiés sont:

  • le système décimal, de base 10
  • le système binaire, de base 2
  • le système octal, de base 8
  • le système hexadécimal, de base 16

• Un chiffre binaire est appelé bit, et toute combinaison binaire composée de huit bits est appelée octet.

• 🔄 Pour convertir un nombre décimal entier en binaire:

  1. diviser continûment le nombre par 2
  2. conserver le reste de chaque division
  3. lire les restes de bas en haut

• Pour convertir un nombre binaire en octal ou en hexadécimal, il faut regrouper les bits respectivement par trois ou par quatre en partant de la droite, puis convertir chaque groupe.

Compléments

• Seize bits constituent un mot-mémoire ou mot machine.

• Pour convertir une fraction décimale en binaire, il faut multiplier successivement les parties fractionnaires par 2 et conserver les parties entières jusqu’à obtenir une partie fractionnaire nulle ou répétée.

💡 Astuce mémo

DBOH : décimal, binaire, octal, hexadécimal

📖 5. Codes numériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Code binaire naturel : Représente un nombre dans la base binaire, mais il nécessite une grande quantité de bits, plusieurs variables peuvent changer entre deux combinaisons successives et il ne permet pas la correction automatique des erreurs.
• Code Gray : Dans ce code, un seul bit change de valeur entre deux codages successifs.
• Code DCB 8421 : Chaque chiffre décimal de 0 à 9 est représenté par quatre bits de poids 8, 4, 2 et 1.
• Codes 2 parmi 5 : Utilisent des mots de cinq bits dont exactement deux sont à 1 et trois sont à 0.
• Code à excès de trois : S’obtient en ajoutant 3 à chaque mot-code du code BCD et il est auto-complémentaire, mais non pondéré.
• Code Aïken : Code décimal pondéré et auto-complémentaire dont les poids sont 2, 4, 2 et 1.

💡 Astuce mémo

Binaire naturel : plusieurs bits peuvent changer ; Gray : un seul bit change

📖 6. Algèbre de Boole et Karnaugh

🔑 Notions clés & Définitions

• Algèbre de Boole : George Boole, 1847 — Logique fondée sur deux variables binaires 0 et 1, utilisées pour représenter des états comme arrêt-marche, ouvert-fermé, avant-arrière et vrai-faux.
• Table de vérité : Permet de déterminer les valeurs de sortie correspondant aux différentes combinaisons des variables d’entrée d’une équation logique.
• Table de Karnaugh : Moyen utilisé pour réduire et simplifier les expressions booléennes.

📝 Points essentiels

• Les propriétés de base de l’algèbre de Boole comprennent:
  • l’involution
  • l’idempotence
  • la complémentarité
  • les éléments neutres
  • les éléments absorbants
  • l’associativité
  • la distributivité
  • les règles de Morgan
  • l’optimisation

💡 Astuce mémo

Regroupement des cases → simplification de l’expression logique

📖 7. Automates programmables et langages

🔑 Notions clés & Définitions

• Automate programmable : Dispositif électronique qui reçoit les informations des capteurs, les traite par un programme dans l’unité centrale et envoie des ordres aux pré-actionneurs par ses sorties.
• Langage Ladder : Fondé sur la logique câblée et représente dans un logiciel de programmation les circuits de commande et de puissance comprenant notamment les contacteurs, relais, boutons-poussoirs, capteurs et pré-actionneurs.

★ À maîtriser

• Les principaux blocs d’un automate programmable sont:

  • le module d’entrée
  • le module de sortie
  • l’unité centrale de traitement
  • le bloc de communication

• Les principaux langages de programmation des automates sont:

  • le langage à contact Ladder
  • la liste d’instructions
  • le langage fondé sur le GRAFCET

Compléments

• Les éléments Ladder comprennent:
  • des contacts normalement ouverts
  • des contacts normalement fermés
  • des contacts à front montant
  • des contacts à front descendant
  • des bobines directes
  • des bobines inverses
  • des bobines de mise à 1
  • des bobines de remise à 0

💡 Astuce mémo

Entrées → CPU et programme → sorties

📖 8. Fonctions logiques élémentaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction négation : Inverse une variable binaire A : la sortie vaut 1 si et seulement si A vaut 0.
• Fonction ET : Produit 1 uniquement lorsque les deux variables binaires A et B valent 1 ; dans les autres cas, la sortie vaut 0.
• Fonction OU : Additionne logiquement les variables binaires A et B pour produire la sortie de la porte OU.

📝 Points essentiels

📌 La fonction égalité transmet l’état de l’entrée A à la sortie K : si A vaut 0, K vaut 0, et si A vaut 1, K vaut 1.

💡 Astuce mémo

ET exige toutes les conditions, OU accepte au moins une condition

📖 9. Fonctions logiques en liste instruction

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction égalité : transmet l'état de l'entrée A à la sortie K : A = 0 entraîne K = 0 et A = 1 entraîne K = 1.
• Fonction négation : produit une sortie K égale à 1 si et seulement si l'entrée A vaut 0, et égale à 0 si A vaut 1.

📝 Points essentiels

• Le langage liste instruction s'appuie sur huit fonctions logiques élémentaires:

  • égalité
  • négation
  • multiplication logique
  • addition logique
  • NAND
  • NOR
  • OU exclusif
  • coïncidence

• La fonction ET vaut 1 uniquement lorsque A et B valent simultanément 1, tandis que la fonction OU vaut 1 dès qu'au moins une des deux entrées vaut 1.

• La fonction NAND est la fonction ET inversée et vaut 0 uniquement lorsque A = 1 et B = 1, tandis que la fonction NOR est la fonction OU inversée et vaut 1 uniquement lorsque A = 0 et B = 0.

• La fonction XOR vaut 1 lorsqu'une seule des deux variables binaires vaut 1, tandis que la fonction NXOR, appelée coïncidence, vaut 1 lorsque les deux variables ont la même valeur.

💡 Astuce mémo

XOR vaut 1 si une seule entrée vaut 1, tandis que NXOR vaut 1 si les deux entrées coïncident.

📖 10. Instructions et application de remplissage

★ À maîtriser

• Les instructions d'entrée du langage liste comprennent LD, LDN, LDR et LDF ; LDR détecte un front montant et LDF détecte un front descendant pendant un seul cycle de scrutation.

• Les instructions de sortie ST et STN activent respectivement la bobine avec le résultat logique ou son inverse, tandis que S verrouille un relais et R le réinitialise.

Compléments

• Les instructions AND, ANDN, ANDR et ANDF combinent le résultat précédent avec une porte ET, sa négation, un front montant ou un front descendant, et OR, ORN, ORR et ORF réalisent les opérations correspondantes avec une porte OU.

• Dans le remplissage d'un réservoir, une impulsion sur BP excite le relais C1, ce qui ouvre V1 et remplit le réservoir jusqu'à FL = 1 ; pour la vidange, V2 attend 1 minute avant de commencer.

💡 Astuce mémo

Entrée → logique → sortie : LD/AND/OR → ST, STN, S ou R.

📖 11. Principes et niveaux du GRAFCET

🔑 Notions clés & Définitions

• GRAFCET : ou Graphe Fonctionnel de Commande Étapes et Transitions, est un diagramme fonctionnel représentant alternativement des étapes et des transitions, avec une seule transition entre deux étapes.

★ À maîtriser

• Un système automatisé comprend trois parties essentielles:
  • partie pupitre
  • partie commande
  • partie opérative

📌 Le GRAFCET de niveau 1 représente le système et coordonne les données et les actions, le niveau 2 décrit la partie opérative avec ses actionneurs et capteurs, et le niveau 3 décrit la partie commande avec l'automate programmable.

Compléments

• Dans un GRAFCET de niveau 3, I désigne une entrée de l'automate programmable et Q désigne une sortie, par exemple %I0.0 pour une entrée et %Q0.0 pour une sortie.

💡 Astuce mémo

Système → opérative → commande : les trois niveaux traduisent progressivement le fonctionnement.

📖 12. Structures et applications du GRAFCET

🔑 Notions clés & Définitions

• Saut d'étape : permet d'ignorer une ou plusieurs étapes lorsque la réceptivité correspondante est satisfaite.

★ À maîtriser

📌 La reprise d'une séquence permet soit de revenir à une étape précédente sans poursuivre le cycle, soit de passer directement à une étape ultérieure.

📌 Dans un aiguillage en OU, une étape initiale permet de choisir une seule séquence selon les réceptivités, tandis que dans un aiguillage en ET, plusieurs séquences sont exécutées simultanément.

Compléments

• Dans l'exemple du chariot avec temporisation, le chariot se déplace jusqu'au point C2, y reste 10 secondes, puis revient à sa position initiale.

💡 Astuce mémo

Reprise répète une séquence, saut ignore une étape, OU choisit une branche et ET les exécute simultanément.

📖 13. GEMMA et modes de fonctionnement

🔑 Notions clés & Définitions

• GEMMA : ou Guide d'Étude des Modes de Marches et d'Arrêts, est un guide graphique structuré qui définit des modes de fonctionnement types et leurs conditions de passage.

★ À maîtriser

• La partie commande sous énergie est subdivisée en trois familles:

  • procédures de fonctionnement F
  • procédures en défaillance D
  • procédures d'arrêt A

• Les six procédures de fonctionnement sont:

  • F1 production normale
  • F2 marche de préparation
  • F3 marche de clôture
  • F4 marche de vérification dans le désordre
  • F5 marche de vérification dans l'ordre
  • F6 marche de test

• Les trois procédures en défaillance sont:

  • D1 arrêt d'urgence
  • D2 diagnostic et ou traitement de défaillance
  • D3 production tout de même

• Les sept procédures d'arrêt sont:

  • A1 arrêt dans l'état initial
  • A2 arrêt demandé en fin de cycle
  • A3 arrêt demandé dans un état déterminé
  • A4 arrêt obtenu
  • A5 préparation pour remise en route après défaillance
  • A6 mise de la partie opérative dans l'état initial
  • A7 mise de la partie opérative dans un état déterminé

Compléments

• Dans une structure hiérarchisée de modes de marche, le GRAFCET supérieur GMM gère les modes et force les GRAFCET partiels GPN de production normale et GIP d'initialisation de la partie opérative.

💡 Astuce mémo

F-D-A : Fonctionnement, Défaillance, Arrêt.

📊 Tableaux de synthèse

Parties du système automatisé

Niveaux du GRAFCET