Lors de la conception d'un système de contrôleur logique programmable (PLC), la première étape consiste à définir la stratégie de contrôle ; l'étape suivante implique la sélection technique du matériel PLC spécifique. Les caractéristiques du flux de processus et les exigences spécifiques de l'application servent de base principale à ce processus de sélection. L'automate et ses équipements associés doivent être intégrés et standardisés, sélectionnés selon les principes d'intégration transparente dans le système de contrôle industriel global et de facilité d'extension fonctionnelle. Le système PLC choisi doit être une solution mature et fiable, ayant fait ses preuves en matière d'exploitation réussie dans le secteur industriel concerné. De plus, la configuration matérielle, les capacités logicielles et les caractéristiques fonctionnelles du système doivent être adaptées de manière appropriée à l'échelle de l'installation et aux exigences de contrôle spécifiques. La familiarité avec les automates, les diagrammes de fonctions et les langages de programmation pertinents permet de réduire considérablement le temps de programmation. Par conséquent, pendant les phases de sélection technique et d’estimation, il est essentiel de procéder à une analyse détaillée des caractéristiques du procédé et des exigences de contrôle ; cela implique de définir clairement les tâches et la portée du contrôle, ainsi que d'identifier les opérations et actions nécessaires. Par la suite-sur la base de ces exigences de contrôle-on peut estimer le nombre requis de points d'entrée/sortie (E/S) et la capacité de mémoire, et déterminer les fonctions API nécessaires et les spécifications des périphériques externes. Enfin, l'objectif est de sélectionner un automate offrant un rapport prix-performance supérieur et de concevoir le système de contrôle correspondant.
Estimation des points d'E/S
Lors de l’estimation du nombre de points d’E/S, il est crucial d’incorporer une marge appropriée. Généralement, le nombre d'E/S estimé est dérivé en prenant le nombre de points requis calculé statistiquement et en ajoutant une marge d'expansion de 10 % à 20 %. Lors de la passation de la commande réelle, il peut être nécessaire d'arrondir le nombre d'E/S estimé pour l'aligner sur les spécifications spécifiques du produit et les configurations de modules proposées par le fabricant de l'automate.
Capacité de mémoire
La « capacité de mémoire » fait référence à la taille totale des unités de stockage matérielles fournies par l'automate lui-même, tandis que la « capacité du programme » fait référence à la partie spécifique de cette mémoire utilisée par le programme d'application de l'utilisateur. Par conséquent, la capacité du programme est toujours inférieure ou égale à la capacité totale de la mémoire. Pendant la phase de conception, étant donné que le programme d'application de l'utilisateur n'a pas encore été écrit, la capacité exacte du programme reste inconnue et ne peut être déterminée qu'une fois le programme entièrement débogué. Pour faciliter le processus de sélection en fournissant une estimation raisonnable du stockage requis, la capacité totale de la mémoire est généralement utilisée comme indicateur de la capacité du programme pendant la phase de conception. Il n’existe pas de formule fixe pour estimer la capacité de mémoire requise ; bien que diverses formules apparaissent dans la littérature, elles suivent généralement une approche commune : calculer 10 à 15 fois le nombre de points d'E/S numériques, ajouter 100 fois le nombre de points d'E/S analogiques et utiliser cette somme comme nombre total de mots (où un mot équivaut à 16 bits) pour la mémoire. De plus, une marge de sécurité équivalente à 25 % de cette valeur calculée doit être prise en compte.
Sélection des fonctions de contrôle
Ce processus de sélection implique le choix de caractéristiques spécifiques telles que les fonctions arithmétiques, les fonctions de contrôle, les capacités de communication, les fonctionnalités de programmation, les outils de diagnostic et la vitesse de traitement.
1. Fonctions arithmétiques
Les fonctions arithmétiques des automates programmables (API) simples incluent généralement des opérations logiques de base, des fonctions de synchronisation et de comptage. Les automates standard développent cela pour inclure des opérations telles que le transfert et la comparaison de données. Des capacités arithmétiques plus complexes englobent les opérations algébriques et les fonctions de transfert de données. Les API à grande échelle-intègrent en outre des algorithmes de contrôle PID analogiques et d'autres fonctions mathématiques avancées. Avec l'avènement des systèmes ouverts, les automates modernes sont universellement équipés de capacités de communication ; des produits spécifiques peuvent offrir une communication avec des-appareils de niveau inférieur, une communication peer-to-peer avec d'autres automates, une communication avec des systèmes hôtes de-niveau supérieur ou des capacités d'échange de données avec des réseaux-à l'échelle de l'usine ou de l'entreprise. Lors de la sélection d'un modèle pendant la phase de conception, il convient de baser son choix sur les exigences spécifiques de l'application réelle, en sélectionnant uniquement les fonctions arithmétiques réellement nécessaires. Dans la plupart des scénarios d'application, les opérations logiques de base, les fonctions de synchronisation et de comptage suffisent ; certaines applications peuvent nécessiter des capacités de transfert de données et de comparaison ; tandis que les opérations algébriques, les conversions numériques et les algorithmes de contrôle PID sont généralement réservés aux applications impliquant la détection et le contrôle de signaux analogiques. Des opérations telles que le décodage et le codage sont nécessaires lorsque des capacités d'affichage des données sont nécessaires.
2. Fonctions de contrôle
Les fonctions de contrôle englobent des algorithmes tels que le contrôle PID, la -compensation anticipée et le contrôle du ratio ; les fonctions spécifiques sélectionnées doivent être déterminées en fonction des exigences de contrôle précises de l'application. Étant donné que les automates sont principalement conçus pour le contrôle logique séquentiel, les tâches de contrôle analogique dans la plupart des scénarios sont généralement gérées à l'aide de contrôleurs dédiés à une seule-boucle ou à plusieurs-boucles. Alternativement, des modules d'E/S intelligents spécialisés sont parfois utilisés pour exécuter des fonctions de contrôle spécifiques-une stratégie qui sert à améliorer la vitesse de traitement globale de l'automate et à conserver la capacité de la mémoire interne. Des exemples de ces modules spécialisés incluent les unités de contrôle PID, les compteurs à grande vitesse-, les modules d'entrée analogiques avec compensation de vitesse et les unités de conversion ASCII.
3. Fonctions de communication
Les systèmes CPL à moyenne-à-grande-échelle doivent prendre en charge une variété de bus de terrain et de protocoles de communication standard (tels que TCP/IP). De plus, lorsque l'application le requiert, ces systèmes doivent être capables d'établir des connexions avec le réseau de gestion de l'usine (via TCP/IP). Les protocoles de communication doivent être conformes aux normes de communication ISO/IEEE et constituer un réseau de communication ouvert.
Les interfaces de communication du système de contrôleur logique programmable (PLC) doivent inclure des interfaces de communication série et parallèle, des ports de communication RIO, des interfaces DCS communes, etc. Pour les systèmes CPL de moyenne-à-grande-échelle, les bus de communication (y compris les dispositifs et les câbles d'interface) doivent être configurés avec une redondance 1:1 ; ces bus de communication doivent être conformes aux normes internationales et leur portée de communication doit répondre aux exigences réelles de l'installation spécifique.
Au sein du réseau de communication du système CPL, le débit de communication du réseau de niveau supérieur-doit dépasser 1 Mbit/s et la charge de communication ne doit pas dépasser 60 %. Les principales formes de réseaux de communication pour les systèmes CPL sont les suivantes :
1) Un PC fait office de station maître, tandis que plusieurs automates du même modèle agissent comme stations esclaves, formant un simple réseau d'automates ;
2) Un seul automate fait office de station maître, tandis que d'autres automates du même modèle agissent comme des stations esclaves, formant un réseau d'automates maître-esclave ;
3) Le réseau CPL se connecte à un DCS à grande échelle-via une interface réseau spécifique, fonctionnant comme un sous-réseau du DCS ;
4) Un réseau CPL propriétaire (un réseau de communication spécifique aux produits CPL d'un fabricant particulier).
Pour alléger la charge de travail de communication sur le processeur-et en fonction des exigences réelles de la configuration réseau,-des processeurs de communication équipés de diverses capacités de communication (par exemple, point-à-point, bus de terrain) doivent être sélectionnés.
4. Fonctions de programmation
Mode de programmation hors ligne : dans ce mode, l'automate et le dispositif de programmation partagent un seul processeur. Lorsque la console de programmation est en « mode programmation », la CPU consacre ses services uniquement à la console de programmation et ne contrôle pas les appareils de terrain. Une fois la programmation terminée, l'appareil de programmation passe en « mode d'exécution », auquel cas l'UC reprend le contrôle des appareils de terrain et les opérations de programmation ne peuvent pas être effectuées. Le mode de programmation hors ligne peut réduire les coûts du système, même s'il peut être moins pratique pour l'utilisation et le débogage. Mode de programmation en ligne : dans ce mode, la CPU et le dispositif de programmation possèdent chacun leurs propres CPU dédiées. Le processeur hôte est responsable des opérations de contrôle sur le terrain et échange des données avec le dispositif de programmation au cours d'un seul cycle de scrutation ; le dispositif de programmation transmet les données de programme nouvellement créées ou modifiées à la CPU hôte, et lors du cycle de scrutation ultérieur, la CPU hôte exécute la logique système sur la base du programme nouvellement reçu. Bien que ce mode entraîne des coûts plus élevés, il offre une plus grande commodité pour le débogage et le fonctionnement du système et est fréquemment adopté dans les systèmes API à moyenne-à-grande-échelle. Il existe cinq langages de programmation standardisés : trois langages graphiques -diagrammes de fonctions séquentielles (SFC), diagrammes en échelle (LD) et diagrammes de blocs fonctionnels (FBD)-et deux-langages basés sur le texte-listes d'instructions (IL) et texte structuré (ST). Le langage de programmation sélectionné doit être conforme à la norme pertinente (IEC 61131-3) ; en outre, il doit prendre en charge diverses formes de programmation alternatives, telles que C, Basic, etc., pour répondre aux exigences de contrôle spécifiques des applications spécialisées.
5. Fonctions de diagnostic
Les capacités de diagnostic d'un automate programmable (PLC) englobent à la fois les diagnostics matériels et logiciels. Les diagnostics matériels utilisent une logique basée sur le matériel-pour identifier l'emplacement des défauts matériels, tandis que les diagnostics logiciels sont classés en diagnostics internes et externes. Les diagnostics internes impliquent l'utilisation d'un logiciel pour évaluer les performances et les fonctionnalités internes de l'automate ; les diagnostics externes impliquent l'utilisation d'un logiciel pour évaluer les capacités d'échange de données entre le processeur de l'automate et les composants externes, tels que les modules d'entrée/sortie (E/S).
La robustesse des fonctions de diagnostic d'un automate influence directement la compétence technique requise du personnel d'exploitation et de maintenance, ainsi que le temps moyen de réparation (MTTR).
6. Vitesse de traitement
Les contrôleurs logiques programmables fonctionnent à l'aide d'un mécanisme basé sur une analyse-. Du point de vue des exigences de performances en temps réel{{2}, la vitesse de traitement doit être aussi rapide que possible ; si la durée d'un signal d'entrée est inférieure au temps de scrutation de l'automate, le contrôleur peut ne pas détecter le signal, entraînant une perte de données.
La vitesse de traitement est influencée par des facteurs tels que la longueur du programme utilisateur, la puissance de traitement du processeur et la qualité du logiciel. Les automates présentent des temps de réponse de contact rapides et des vitesses de fonctionnement élevées, le temps d'exécution de chaque instruction binaire allant généralement de 0,2 à 0,4 microsecondes (µs) ; par conséquent, ils sont bien adaptés-aux applications exigeant un contrôle strict et des capacités de réponse rapides. Le cycle de scrutation (temps de scrutation du processeur) doit répondre aux critères suivants : pour les automates à petite échelle-, le temps de scrutation ne doit pas dépasser 0,5 ms pour 1 000 instructions (0,5 ms/K) ; pour les automates à moyenne-à-grande-échelle, le temps de scrutation ne doit pas dépasser 0,2 ms pour 1 000 instructions (0,2 ms/K).
Types de contrôleurs
En fonction de leur structure physique, les automates sont globalement classés en deux catégories : les types intégraux (monobloc) et les types modulaires. En fonction de leur environnement d'exploitation, ils sont classés en deux catégories : les-unités montées sur le terrain et les-unités montées en salle de contrôle-. De plus, en fonction de la longueur des mots CPU, ils sont classés en systèmes 1-bit, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit et 64-bit. Du point de vue des applications, les automates sont généralement sélectionnés en fonction de leurs fonctions de contrôle spécifiques ou du nombre requis de points d'entrée/sortie. Les contrôleurs logiques programmables (PLC) de type intégré- comportent un nombre fixe de points d'E/S ; par conséquent, les utilisateurs disposent d'une flexibilité limitée dans leur sélection, ce qui les rend adaptés aux systèmes de contrôle à petite échelle. À l'inverse, les automates de type modulaire offrent une grande variété de cartes d'E/S ou de modules enfichables, permettant aux utilisateurs de sélectionner et de configurer de manière rationnelle le nombre spécifique de points d'E/S requis pour leurs systèmes de contrôle. Cette modularité facilite une extension fonctionnelle pratique et flexible, ce qui les rend généralement adaptés aux systèmes de contrôle de moyenne à grande échelle.
Types d'entrée/sortie
Signaux discrets (quantités de commutation) : ils font principalement référence aux entrées et sorties discrètes-en particulier, aux contacts auxiliaires associés à divers appareils. Les exemples incluent les contacts auxiliaires d'un relais dans le contrôleur de température d'un transformateur (qui changent d'état lorsque le transformateur surchauffe), les contacts auxiliaires d'un interrupteur à came d'une vanne (qui changent d'état lorsque la vanne s'ouvre ou se ferme), les contacts auxiliaires d'un contacteur (qui changent d'état lorsque le contacteur s'actionne) et les contacts auxiliaires d'un relais de surcharge thermique (qui changent d'état lorsque le relais se déclenche). Ces signaux sont généralement transmis à un automate ou à un dispositif de protection complet. L'alimentation de ces contacts est généralement assurée par l'automate ou le dispositif de protection lui-même ; étant donné que les contacts ne possèdent pas leur propre source d'alimentation interne, ils sont appelés « contacts passifs » (ou « contacts secs ») et sont classés comme entrées discrètes dans le contexte de l'automate ou du dispositif de protection.
1. Quantités numériques
Les grandeurs physiques discrètes-à la fois en termes de temps et d'ampleur-sont appelées grandeurs numériques. Les signaux représentant ces grandeurs numériques sont appelés signaux numériques. Les circuits électroniques conçus pour fonctionner à l'aide de signaux numériques sont appelés circuits numériques.
Par exemple : lorsqu'un circuit électronique est utilisé pour compter le nombre de pièces produites par une ligne de production automatisée, un signal est envoyé au circuit pour chaque pièce livrée, ce qui lui permet d'enregistrer un décompte de « 1 ». A l'inverse, lorsqu'aucune pièce n'est livrée, le signal appliqué au circuit est "0". Ainsi, le signal représentant le nombre de pièces est discontinu-à la fois temporellement et quantitativement-, ce qui en fait un signal numérique. La plus petite unité de quantité dans ce contexte est une unité unique (1).
2. Quantités analogiques
Les grandeurs physiques continues-que ce soit en termes de temps ou d'ampleur-sont appelées grandeurs analogiques. Les signaux représentant ces grandeurs analogiques sont appelés signaux analogiques. Les circuits électroniques conçus pour fonctionner à l'aide de signaux analogiques sont appelés circuits analogiques.
Par exemple : Le signal de tension émis par un thermocouple pendant le fonctionnement est un signal analogique. Étant donné que la température mesurée ne peut en aucun cas subir de sauts instantanés et brusques, le signal de tension résultant est continu -à la fois temporellement et quantitativement. De plus, chaque valeur spécifique prise par ce signal de tension au cours de son processus de variation continue a une signification physique concrète-à savoir, elle correspond à une lecture de température spécifique. Principes de conversion
1. Un convertisseur numérique-vers-analogique (DAC) est un système qui convertit les signaux numériques en signaux analogiques ; ceci est généralement réalisé grâce à un filtrage passe-bas-. Le signal numérique subit d'abord un décodage-c'est-à-dire que les codes numériques sont convertis en niveaux de tension correspondants pour former un signal de type escalier-comme un escalier-après quoi il est soumis à un filtrage passe-bas-.
Selon la théorie du signal et des systèmes, le signal numérique en forme d'escalier-peut être considéré comme la convolution d'un signal échantillonné d'impulsion idéal-et d'un signal d'impulsion rectangulaire. Par conséquent, selon le théorème de convolution, le spectre du signal numérique est le produit du spectre de l'impulsion-signal échantillonné et du spectre de l'impulsion rectangulaire (connue sous le nom de fonction Sa). Ainsi, en utilisant l'inverse de la fonction Sa pour la compensation spectrale, le signal échantillonné d'origine peut être récupéré à partir du signal numérique. De plus, selon le théorème d'échantillonnage, l'application d'un filtrage passe-bas - idéal au spectre du signal échantillonné donne le spectre du signal analogique d'origine.
Dans les mises en œuvre pratiques, ces principes théoriques ne sont pas appliqués directement, car la génération de signaux échantillonnés précis et idéaux est techniquement difficile. Par conséquent, ces deux étapes de filtrage (la compensation de la fonction Sa-et le filtrage passe-bas idéal-) sont généralement combinées (en cascade). De plus, étant donné que les caractéristiques de filtrage idéales requises par ce système sont physiquement irréalisables, les systèmes actuels ne peuvent fournir qu'une approximation de ce processus.
2. Un convertisseur analogique-vers-numérique (ADC) est un système qui convertit les signaux analogiques en signaux numériques ; ce processus implique le filtrage, l'échantillonnage, la conservation et le codage.
Le signal analogique subit d'abord un-filtrage limiteur de bande et passe à travers un circuit échantillonneur-et-de maintien, se transformant ainsi en un signal de type escalier-en forme d'escalier. Ensuite, ce signal passe par un codeur qui convertit chaque niveau de tension distinct du signal d'escalier en un code binaire correspondant.