Un succès Système de contrôle plc la conception commence par des objectifs d'automatisation clairement définis et alignés sur les objectifs de production. Une analyse du secteur montre que 62 % des échecs d'automatisation découlent d'objectifs mal documentés. Pour éviter cela, les équipes doivent :
Ces objectifs mesurables garantissent que le système de contrôle soutient l'efficacité opérationnelle et une évolutivité à long terme.
Une cartographie efficace des E/S nécessite de distinguer les signaux numériques (marche/arrêt) des signaux analogiques (variables). Les appareils de terrain courants incluent :
Le choix du type d'E/S approprié garantit une interprétation précise des signaux et une réponse fiable des actionneurs dans des conditions de fonctionnement dynamiques.
Les systèmes PLC reposent généralement sur trois composants principaux fonctionnant ensemble. Au cœur du système se trouve l'unité centrale de traitement, ou CPU en abrégé. Ce composant exécute les programmes de contrôle et gère toutes les tâches de communication au sein du système. Viennent ensuite les modules d'entrée/sortie. Ces petits travailleurs acharnés récupèrent les signaux provenant des capteurs de température, des jauges de pression et d'autres appareils de terrain, puis les transforment en données compréhensibles par l'ordinateur. Ils effectuent également la tâche inverse, en envoyant des impulsions électriques pour démarrer des moteurs, ouvrir des vannes ou déclencher des alarmes selon les instructions reçues de la CPU. Enfin, mais non moins important, se trouve l'alimentation électrique. La plupart des installations industrielles nécessitent une tension continue stable de 24 volts pour assurer un fonctionnement fluide. Les unités de qualité sont équipées de circuits de secours afin de ne pas tomber en panne lors de chutes de tension inattendues, fréquentes dans les usines où de lourdes machines sont constamment mises en marche et arrêtées à proximité.
| Configuration | Idéal pour | Avantage clé |
|---|---|---|
| PLC fixes | Processus simples et statiques | Préconfiguré, rentable |
| API modulaires | Opérations évolutives | E/S personnalisables via cartes d'extension |
| API montés sur rack | Automatisation à grande échelle | Architecture de contrôle centralisé |
Le choix de la configuration adaptée dépend de la complexité du processus, des plans d'expansion et des contraintes physiques.
En ce qui concerne les API modulaires, ces appareils peuvent gérer jusqu'à 64 extensions d'E/S dans leurs configurations haut de gamme, ce qui les rend presque parfaits pour les systèmes qui évoluent dans le temps. En revanche, les API fixes permettent de réduire les coûts initiaux d'environ 30 à peut-être même 45 pour cent pour les petites installations, mais une fois installés, il n'est guère possible de procéder à des agrandissements lorsque cela devient nécessaire. L'espace compte aussi. Selon la plupart des installateurs avec lesquels nous avons parlé, les systèmes montés sur rack occupent environ le double de l'espace requis par les options compactes dans les armoires électriques. Mais voici le hic : bien qu'ils prennent plus de place, les équipements montés sur rack facilitent grandement la maintenance, car tout est regroupé au même endroit, et les techniciens peuvent accéder aux composants sans avoir à démonter des murs ou des armoires juste pour réparer un petit élément.
Un important fabricant de pièces automobiles a commencé l'année dernière à utiliser des systèmes automates modulaires sur ses lignes de production de batteries pour véhicules électriques. Cette configuration leur a permis d'intégrer progressivement, sur une période d'environ trois ans, des robots de soudage au laser et des capteurs intelligents de contrôle qualité, tout en maintenant une exploitation normale de l'usine. Plutôt que de remplacer entièrement les anciens systèmes, cette approche a réduit les coûts de reconfiguration d'environ moitié, selon des rapports internes. Ces seules économies justifient fortement l'importance croissante des solutions matérielles flexibles dans les environnements de fabrication hautement technologiques actuels.
La programmation d'un automate programmable (PLC) consiste essentiellement à transformer les actions nécessaires pour une machine en instructions concrètes qu'elle peut exécuter. Le système récupère en temps réel des informations provenant de capteurs, comme la température d'un élément ou l'état d'un interrupteur, puis prend des décisions sur les actions à entreprendre ensuite. Par exemple, démarrer un moteur quand nécessaire ou fermer une vanne au moment précis. Les ingénieurs utilisent des logiciels spécialisés pour concevoir ces systèmes de contrôle selon les besoins de l'usine. Certaines configurations visent à faire avancer les produits sur les lignes d'emballage le plus rapidement possible, tandis que d'autres exigent une grande précision pour des tâches telles que l'assemblage de pièces automobiles, où même de petites erreurs ont une grande importance.
Le choix du langage de programmation influence la rapidité de développement, la flexibilité et la facilité de maintenance :
Le choix du langage doit correspondre au niveau d'expertise de l'équipe et à la complexité de l'application.
Tous les API fonctionnent selon un cycle d'exploration continu :
L'optimisation du temps d'exploration — souvent réduit à quelques millisecondes dans les systèmes haute vitesse — garantit un contrôle réactif et déterministe, minimisant les retards dans les environnements de production rapides.
La réussite d'une bonne intégration des E/S dépend fortement de la manière dont le câblage est organisé dès le départ. Les modules analogiques gèrent les signaux variables provenant d'éléments tels que les thermocouples, tandis que les modules numériques se connectent à divers capteurs tout ou rien, y compris les interrupteurs de fin de course que l'on retrouve partout. Pour lutter contre les interférences électromagnétiques, les câbles blindés à paires torsadées donnent les meilleurs résultats lorsqu'ils sont associés à une isolation galvanique. Selon ce rapport d'analyse sectorielle de l'année dernière, environ 17 pour cent de tous les problèmes de signal dans les usines sont en réalité dus à des interférences électromagnétiques. N'oubliez pas non plus les parafoudres : ils sont essentiels pour protéger les composants précieux du PLC contre les surtensions imprévues et les courts-circuits dangereux pouvant interrompre brutalement les opérations.
Différents équipements de terrain tels que les capteurs photoélectriques, les vannes électromagnétiques et ces variateurs de fréquence (VFD) se connectent au PLC via des modules d'E/S. Des recherches récentes indiquent qu'environ 74 pour cent des problèmes dans les systèmes d'automatisation proviennent d'incompatibilités entre capteurs et actionneurs, ce qui signifie qu'il est assez important de vérifier la compatibilité des composants. Prenons l'exemple des transmetteurs de pression : ils doivent généralement être raccordés à un module d'entrée analogique configuré pour des boucles de courant lorsqu'on travaille avec des signaux de 4 à 20 mA. En revanche, la plupart des capteurs de proximité inductifs se branchent simplement sur des entrées numériques standard 24 V CC. Bien établir ces connexions fait toute la différence en matière de fiabilité du système.
Lorsque les signaux commencent à mal fonctionner, une mauvaise mise à la terre figure souvent en tête de liste des causes probables. La méthode du point étoile donne d'excellents résultats, car tous les câbles blindés sont raccordés à un seul et même point du châssis, au lieu de passer par plusieurs points comme dans les configurations en cascade. Selon l'Industrial Automation Journal de l'année dernière, cette approche réduit les problèmes de boucle de terre d'environ deux tiers ! Dans les environnements où règne beaucoup de bruit électrique, le passage à des connexions en fibre optique entre les unités d'entrée/sortie distantes et l'unité centrale de traitement permet de maintenir une transmission propre. N'oubliez pas non plus d'ajouter de petits anneaux magnétiques appelés noyaux de ferrite sur les câbles Ethernet. En outre, séparer les lignes d'alimentation des câblages de commande en les plaçant dans des conduits distincts fait une grande différence pour assurer une communication fiable dans les systèmes complexes.
Selon Automation World de l'année dernière, des tests approfondis réduisent d'environ deux tiers les problèmes de déploiement dans les environnements industriels. En ce qui concerne la mise en œuvre effective, les simulations par boucle matérielle sont particulièrement efficaces pour vérifier le comportement des systèmes de contrôle face à des conditions réelles. Par ailleurs, diverses méthodes de diagnostic, telles que la simulation forcée des états d'entrée/sortie ou la définition de points d'arrêt, permettent de détecter ces problèmes chronométriques gênants souvent négligés. Prenons l'exemple des chaînes de production automobile : de nombreuses entreprises automobiles testent effectivement des centaines de situations de panne différentes avant même d'envisager de mettre leurs postes de soudage robotisés en production complète. Cette approche permet de détecter presque toutes les défaillances possibles à l'avance.
Les installations fonctionnant dans des zones à haut risque, comme les usines de traitement chimique, doivent respecter les normes SIL 3 en matière d'intégrité de sécurité. Cela implique généralement la mise en place de systèmes dotés de processeurs de secours ainsi que de configurations d'entrées/sorties à double canal. Prenons l'exemple d'une aciérie où un sérieux problème de blocage d'un système convoyeur s'était produit. Le système d'arrêt d'urgence s'est activé presque instantanément, arrêtant toutes les pièces mobiles en seulement 12 millisecondes. Cette réaction rapide leur a permis d'éviter environ 2,1 millions de dollars de dommages matériels. En ce qui concerne les protocoles de sécurité, il est essentiel de suivre les directives ISO 13849 et IEC 62061. Plus important encore, ces procédures critiques d'arrêt d'urgence doivent être suffisamment rapides pour réagir aux situations dangereuses en moins de 100 millisecondes au maximum.
| Protocole | Vitesse | Topologie | Cas d'Utilisation Industrielle |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19,2 kbps | Maître-Esclave | CVC, réseaux de capteurs anciens |
| PROFIBUS DP | 12 Mbps | Linéaire | Commande de moteur, vannes de processus |
| EtherNet/IP | 100 Mbps | Étoile | Systèmes de vision, intégration au MES |
Chaque protocole présente des compromis en termes de vitesse, de topologie et de compatibilité, ce qui influence son adéquation à des applications spécifiques.
Lorsque les technologies opérationnelles sont connectées aux systèmes informatiques, cela ouvre de nouvelles possibilités de maintenance prédictive grâce au flux continu de données API vers des plateformes d'analyse dans le cloud. Un récent examen des opérations en usine a révélé un résultat assez impressionnant : selon des recherches de l'année dernière, les usines dotées de réseaux combinés ont détecté les défauts 89 pour cent plus rapidement lorsqu'elles ont appliqué l'intelligence artificielle à leurs processus de diagnostic en temps réel. Toutefois, mettre en place ce système correctement n'est pas simple. La sécurité reste une préoccupation majeure ; ainsi, la plupart des implémentations nécessitent des tunnels de réseau privé virtuel chiffrés, des contrôles d'accès basés sur les rôles des utilisateurs, ainsi que des passerelles OPC UA qui permettent aux ingénieurs de surveiller les systèmes à distance sans compromettre la stabilité du réseau entier. Ces mesures de sécurité peuvent sembler être un travail supplémentaire, mais elles sont essentielles pour protéger les données industrielles sensibles.
Les composants principaux d'un système de contrôle par API sont l'unité centrale de traitement (CPU), les modules d'entrées/sorties (I/O) et une unité d'alimentation.
Il existe trois types principaux d'API : les API fixes, les API modulaires et les API montés sur rack, chacun adapté à des opérations de différentes échelles et complexités.
La logique en diagramme en échelle est couramment utilisée car elle ressemble aux circuits à relais traditionnels, ce qui la rend intuitive pour les électriciens et les techniciens de maintenance.
Le cycle d'exploration d'une API comprend trois phases : l'analyse des entrées, l'exécution de la logique et la mise à jour des sorties, garantissant ainsi un traitement et un contrôle efficaces.
La protection contre les interférences électromagnétiques est cruciale dans l'intégration des E/S car elle empêche les perturbations électromagnétiques pouvant provoquer des problèmes de signal importants dans les systèmes d'automatisation.
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