Automatisme - Semestre 3

PART A - Présentation Générale du Cours

Contexte pédagogique

L’automatisme industriel représente une composante majeure du DUT GEII spécialisation ENOC (Électronique Numérique et Objets Connectés). Positionné au semestre 3, ce cours s’appuie sur les bases de logique séquentielle (S1) et approfondit la conception de systèmes automatisés complexes. Il établit la distinction fondamentale entre le contrôle continu (automatique) et le contrôle séquentiel (automatisme), deux approches complémentaires dans l’industrie.

L’automatisme trouve ses applications dans tous les secteurs industriels : manufacturier, agroalimentaire, automobile, énergie, où les automates programmables industriels (API) orchestrent les processus de production, garantissant productivité, qualité et sécurité.

Objectifs d’apprentissage

Objectifs principaux :

Compétences opérationnelles :

Prérequis

Positionnement dans le cursus

Ce cours se situe à l’interface entre :

PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION DU COURS

Module 1 : GRAFCET - Graphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition

Introduction au GRAFCET

Définition : Le GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition) est un outil graphique normalisé (IEC 60848) permettant de décrire le comportement d’un automatisme séquentiel.

Historique et normalisation :

Avantages :

Niveaux de GRAFCET :

Éléments constitutifs du GRAFCET

1. Étapes

Symbole : Rectangle numéroté

Règle : À tout instant, au moins une étape est active.

2. Actions associées aux étapes

Les actions décrivent ce que fait le système lorsqu’une étape est active.

Types d’actions :

Action continue (N - Normal) :

[Étape 10]  Activer moteur M1

L’action est exécutée tant que l’étape est active.

Action conditionnelle (C - Conditional) :

[Étape 10]  SI température > 50°C ALORS activer ventilateur

Action exécutée seulement si condition vraie ET étape active.

Action mémorisée (S/R - Set/Reset) :

[Étape 5]   S: Allumer voyant    (Set - mémorisation)
[Étape 12]  R: Éteindre voyant   (Reset - annulation)

L’action reste active même après désactivation de l’étape, jusqu’à un ordre de reset.

Actions temporisées :

3. Transitions et réceptivités

Symbole : Trait horizontal traversant une liaison

Transition : Possibilité d’évolution entre étapes.

Réceptivité : Condition associée à une transition (expression booléenne).

Exemples :

Règles d’évolution :

  1. Franchissement de transition : Une transition est franchie si et seulement si :
    • L’étape immédiatement précédente est active ET
    • La réceptivité associée est vraie
  2. Évolution : Lors du franchissement :
    • Désactivation des étapes amont
    • Activation des étapes aval
    • Toutes les évolutions sont simultanées

4. Liaisons orientées

Structures de base du GRAFCET

1. Séquence unique (linéaire)

[Étape 0] (initiale)
    ↓  [condition a]
[Étape 1]  Action A
    ↓  [condition b]
[Étape 2]  Action B
    ↓  [fin]
[Étape 0]

Enchaînement séquentiel d’étapes et actions.

2. Sélection de séquence (divergence/convergence en OU)

        [Étape 5]
         /     \
    [choix 1] [choix 2]
       /           \
[Étape 6]         [Étape 7]
 Action A          Action B
       \           /
        [commun]
         \   /
        [Étape 8]

Divergence en OU :

Convergence en OU :

Exclusion mutuelle : Veiller à ce que les conditions soient exclusives pour éviter conflits.

3. Parallélisme (divergence/convergence en ET)

         [Étape 10]
      ===================  [démarrage]
      ‖                 ‖
  [Étape 11]       [Étape 12]
   Action A         Action B
      ‖                 ‖
      ===================  [fin A · fin B]
         [Étape 13]

Divergence en ET (synchronisation) :

Convergence en ET :

Applications : Machines multi-postes, convoyeurs multiples, robots multi-axes.

GRAFCET hiérarchisé et structuré

1. Macro-étapes

Encapsulation d’un sous-GRAFCET complexe dans une seule étape.

Symbole : Rectangle avec deux traits verticaux

[Étape 20]
     ↓
[M - Macro traitement]  ← Contient un sous-GRAFCET
     ↓
[Étape 30]

Avantages :

Règles :

2. Forçage et figeage

Forçage (forcing) :

Ordre externe modifiant l’état du GRAFCET.

Symbole : Double flèche

[Étape sécurité] --{X10}→→ Forçage de l'étape 10

Action :

Syntaxe :

Figeage (freezing) : Gel temporaire de l’évolution du GRAFCET (étapes actives restent actives, pas de franchissement).

3. GRAFCET de conduite et de sécurité

Architecture hiérarchique avec plusieurs niveaux :

Module 2 : Automates Programmables Industriels (API)

Architecture matérielle des automates

Structure générale :

[Alimentation] → [CPU] ←→ [Mémoire] ←→ [Bus] ←→ [Modules I/O]
                    ↕                      ↕
              [Communication]        [Interfaces]

1. Unité Centrale (CPU)

2. Mémoires

RAM (Random Access Memory) :

EEPROM / Flash :

ROM :

3. Modules d’entrées/sorties

Entrées TOR (Tout Ou Rien) :

Types de capteurs connectés :

Sorties TOR :

Sorties à relais :

Sorties à transistor :

Sorties à triac :

Entrées/Sorties analogiques :

Modules spécialisés :

4. Communication

Bus de terrain :

Ethernet industriel :

Sans fil :

Langages de programmation IEC 61131-3

1. Ladder Diagram (LD) - Schéma à contacts

Représentation graphique inspirée des schémas électriques à relais.

Exemple équation logique : Q = (A · B) + C

|--|A|--|B|------------(Q)|
|                         |
|--|C|-------------------|

Éléments :

Avantages :

Inconvénients :

2. Function Block Diagram (FBD) - Blocs fonctionnels

Représentation par blocs interconnectés (portes logiques, fonctions).

    A ─┐
        AND ──┐
    B ─┘      │
              OR ── Q
    C ────────┘

Applications :

3. Sequential Function Chart (SFC) - GRAFCET

Implémentation directe du GRAFCET normalisé.

Structure :

Avantage : Transposition directe du GRAFCET de conception.

4. Structured Text (ST) - Texte structuré

Langage de haut niveau proche du Pascal.

IF temperature > 50.0 THEN
    ventilateur := TRUE;
    alarme := TRUE;
ELSIF temperature < 45.0 THEN
    ventilateur := FALSE;
    alarme := FALSE;
END_IF;

FOR i := 1 TO 10 DO
    resultat := resultat + valeur[i];
END_FOR;

Avantages :

5. Instruction List (IL) - Liste d’instructions

Langage assembleur de l’automate (peu utilisé aujourd’hui).

LD    A
AND   B
OR    C
ST    Q

Types de données et variables

Types de base :

Classes de variables :

Temporisations normalisées :

TON (Timer On-Delay) :

    IN ─┤TON├─ Q
    PT ─┤   ├─ ET

Sortie Q passe à TRUE après durée PT si IN reste TRUE.

TOF (Timer Off-Delay) : Sortie Q reste TRUE pendant PT après front descendant de IN.

TP (Timer Pulse) : Impulsion de durée PT sur Q au front montant de IN.

Compteurs :

CTU (Count Up) : Compte les fronts montants jusqu’à PV.

CTD (Count Down) : Décompte depuis valeur initiale.

CTUD (Count Up-Down) : Compteur/décompteur bidirectionnel.

Module 3 : Capteurs et actionneurs industriels

Capteurs TOR (Tout Ou Rien)

1. Détecteurs inductifs

Types :

2. Détecteurs capacitifs

3. Détecteurs photoélectriques

Barrage :

Reflex :

Proximité (diffus) :

4. Capteurs magnétiques (ILS - Interrupteurs à Lames Souples)

5. Fins de course mécaniques

Actionneurs industriels

1. Contacteurs et relais

Contacteur :

Relais interface :

2. Électrovannes

3. Vérins pneumatiques

Simple effet :

Double effet :

Paramètres :

4. Moteurs et variateurs

Moteur asynchrone triphasé :

Variateur de vitesse :

Module 4 : Sécurité des systèmes automatisés

Normes de sécurité

ISO 13849-1 : Sécurité des machines

Catégories de sécurité (B, 1, 2, 3, 4) :

Performance Level (PL) : a, b, c, d, e Plus le niveau est élevé, plus la réduction de risque est importante.

SIL (Safety Integrity Level) - IEC 61508

Niveaux 1 à 4 (4 = plus sûr)

Fonctions de sécurité

1. Arrêt d’urgence (AU)

2. Protecteurs et interverrouillages

Protecteurs fixes :

Protecteurs mobiles :

3. Barrières immatérielles

4. Relais de sécurité

Modules de sécurité certifiés surveillant circuits de sécurité (AU, interverrouillages).

5. Automates de sécurité

API dédiés aux fonctions de sécurité (Safety PLC) :

Modes de marche

Mode automatique :

Mode manuel (mode pas à pas) :

Mode maintenance :

PART C: ASPECTS TECHNIQUES

Environnements de développement

Logiciels industriels professionnels

1. Schneider Electric

Unity Pro (legacy) :

EcoStruxure Machine Expert (nouveau) :

2. Siemens - TIA Portal (Totally Integrated Automation)

Environnement unifié :

Automates supportés :

Fonctionnalités :

3. Rockwell Automation - Studio 5000

Logix Designer :

4. CODESYS (Controller Development System)

Standard ouvert :

Avantages :

Outils de simulation

Factory I/O

Simulateur 3D de systèmes industriels :

Utilisation pédagogique :

LogixPro (Rockwell)

PLCSim / PLCSim Advanced (Siemens)

Projets pratiques réalisés

Projet 1 : Mini-Projet Ascenseur (Contrôle AP16)

Cahier des charges :

Capteurs :

Actionneurs :

GRAFCET hiérarchisé :

GRAFCET principal :

Macro-étapes :

Modes :

Implémentation :

Livrables :

Projet 2 : TP Passage à niveau

Système automatisé :

Séquence normale :

  1. Train détecté zone approche
  2. Déclenchement sirène (5s)
  3. Feu rouge + descente barrières
  4. Train passe
  5. Train quitté zone
  6. Attente temporisation sécurité (2s)
  7. Montée barrières + feu vert

Sécurités :

Programmation : Choix entre SFC (séquence) ou Ladder (gestion détecteurs).

Projet 3 : TP Château d’eau

Régulation de niveau :

Logique de commande :

Défauts :

Projet 4 : Station de tri (projet de synthèse)

Système complexe multi-postes :

Description : Tri de pièces selon caractéristiques (couleur, matière, hauteur) sur convoyeur.

Architecture :

GRAFCET hiérarchisé avec parallélisme :

Synchronisation : Pièce identifiée → mémorisation type → éjection au bon poste

IHM (Interface Homme-Machine) :

Programmation avancée :

Livrables attendus :

Projet 5 : Feux de carrefour

Intersection 2 voies avec priorité :

Capteurs :

Actionneurs :

*Séquence normale :** Voie prioritaire verte par défaut, changement sur détection voie secondaire.

Temps de sécurité :

Mode dégradé :

Câblage et mise en service

Schémas électriques

Plan de câblage :

Borniers :

Mise en service

Étapes :

  1. Vérification câblage (continuité, isolation)
  2. Mise sous tension progressive
  3. Test entrées/sorties (table d’animation)
  4. Chargement et lancement programme
  5. Tests unitaires par séquence
  6. Tests intégration
  7. Réglages fins (temporisations)
  8. Validation complète
  9. Documentation as-built

Outils de diagnostic :

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Évaluation des compétences

Contrôle continu (15%)

QCM et exercices courts (Semaine 7) :

Compétences :

Travaux pratiques (40%)

Évaluation continue :

Critères :

Mini-projets (30%)

Projet ascenseur ou station de tri :

Livrables :

Grille d’évaluation :

Examen final (15%)

Format (2h) :

Sujets types :

Liens interdisciplinaires

Avec Automatique (S3)

Avec Informatique Embarquée (S3)

Avec Électronique Numérique (S3)

Avec Énergie (S3)

Applications industrielles par secteur

Industrie manufacturière (70% des applications)

Automobile :

Agroalimentaire :

Pharmaceutique :

Énergie et utilities

Traitement de l’eau :

Distribution électrique :

Compétences professionnelles acquises

Compétences techniques

Conception :

Programmation :

Mise en œuvre :

Compétences méthodologiques

Compétences transversales

Ressources et standards

Normes industrielles

Documentation technique

Constructeurs automates :

Sites professionnels :

Évolution vers systèmes avancés

Industrie 4.0

IoT industriel (IIoT) :

Supervision et SCADA :

MES (Manufacturing Execution System) :

Technologies émergentes

Automates hybrides :

Programmation haut niveau :

📖 SYNTHÈSE

L’automatisme industriel est une discipline centrale du DUT GEII, formant aux technologies qui font fonctionner l’industrie moderne. Ce cours S3 établit les fondations solides nécessaires à tout technicien ou ingénieur intervenant sur systèmes automatisés.

Acquis essentiels :

Perspectives : Les compétences acquises sont directement valorisables en industrie, l’automatisme représentant un marché d’emploi dynamique avec forte demande de profils qualifiés. Les projets réalisés constituent un portfolio technique démontrant capacités d’analyse, de conception et de réalisation.