Etapes de réalisation d'un système automatisé séquentiel (1)

Dans la conception d'un système automatisé séquentiel, il y a plusieurs étapes à franchir pour arriver à concevoir le diagramme fonctionnel d'un système automatisé à partir du cahier des charges initial. 

Ce cours vous présente dans l'ordre chronologique l'ensemble de ces étapes qui composent le processus général de conception des systèmes automatisés séquentiels.

               -  Définition du Grafcet et des deux composantes principales d'un automatisme séquentiel.

               -  Description du cahier des charges, des spécifications fonctionnelles et des spécifications technologiques,

               - Les éléments du Grafcet.

Un peu d'histoire :

Depuis plusieurs années, il devenait urgent d'unifier et de rationaliser les langages de description des systèmes logiques séquentiels en général et des langages des automatismes séquentiels industriels.

 Ainsi, l'Association française pour la cybernétique économique et technique (AFCET) déposait un rapport à ce propos en octobre 1977 après deux ans d'études. Le Grafcet était né. La nécessité d'un langage clair conduisit également au développement d'un outil de description du cahier des charges qui soit normalisé et dépourvu d'ambiguïtés tout en étant facile à comprendre et à utiliser.

L'outil Grafcet :

Cet outil est un diagramme fonctionnel, c'est-à-dire une représentation graphique pour décrire le comportement attendu d'un automatisme séquentiel.

Il est désigné par Grafcet ou GRAphe Fonctionnel de Commande Étape/Transition.

Le Grafcet est un outil pour l'analyse du fonctionnement d'un automatisme. Il constitue aussi un outil de réalisation directe de l'automatisme par les séquenceurs et les automates programmables.

Un projet d'automatisation fait appel à divers spécialistes du milieu industriel. Chacun de ces spécialistes intervient dans le projet d'automatisation avec son propre langage (automatique, informatique, asservissement, maintenance, etc.).

Élément de communication entre ces intervenants, le Grafcet est aussi le point de départ du développement de tout projet d'automatisation.

le Grafcet est un outil de représentation graphique du cahier des charges qui accompagnera le système automatisé, de sa conception à son exploitation. 

Ainsi, les gens de production et de procédés pourront eux-mêmes élaborer la programmation d'un système automatisé. De plus, le Grafcet est un outil graphique qui permet l'élaboration des séquences d'un système automatisé d'une façon littérale dès le début du projet sans exiger une connaissance approfondie des technologies utilisées.

 Le Grafcet est associé à la norme internationale CEI 848 et CEI 1131-3

Dans la conception d'un système automatisé séquentiel, il faut tenir compte des deux composantes qui le forment :

1. la partie "opérative" ;
2. la partie "commande".

La partie "opérative" appelée aussi partie puissance est le processus physique à automatiser.

Cette partie se compose de trois ensembles qui sont :

1. L'unité de production, qui a pour fonction de réaliser la fabrication ou la transformation dans le processus industriel.
2. les actionneurs qui mettent en mouvement la partie mécanique par l'intermédiaire des effecteurs et des capteurs. Les actionneurs sont des éléments physiques qui apportent à l'unité de production l'énergie nécessaire à son fonctionnement à partir d'une source d'énergie extérieure. Un moteur est considéré comme un actionneur.
3. Les capteurs sont aussi des éléments physiques dont le rôle consiste à créer à partir d'informations de natures diverses (température, déplacement, etc.) des informations utilisables par la partie "commande", par exemple, l'ouverture ou la fermeture d'un circuit électrique.

La partie "commande"

La partie "commande" élabore des ordres destinés au processus à automatiser en fonction des informations (comptes rendus) qui lui parviennent de la partie "opérative" et des consignes qu'elle reçoit en entrée.

La partie "commande" d'un système automatisé peut être réalisée par l'intermédiaire d'un automate, d'un ordinateur ou par un circuit de logique câblée (séquenceur).

Il faut remarquer qu'il y a un lien très étroit de communication entre la partie "commande" et la partie "opérative" d'un système automatisé.

• La partie "commande" donne des ordres à la partie "opérative" par l'intermédiaire des pré-actionneurs.
• De l'autre côté, les capteurs de la partie "opérative" communiquent des informations (comptes rendus) à la partie "commande".

la figure suivante vous présente un exemple : La partie "commande" reçoit des informations du robot  et éventuellement de l'opérateur ou d'un autre automatisme.

 La figure suivante montre le schéma général de communication entre la partie "commande" et la partie "opérative" d'un système automatisé.

Schéma général de communication entre la partie commande et la partie opérative d'un système automatisé :

Le Grafcet est un standard qui permet d'expliquer le fonctionnement d'un système automatisé en y incluant toutes les interactions entre la partie "commande" et la partie "opérative".

Le cahier des charges d'un automatisme est un document qui régit les rapports entre le concepteur de l'ensemble de la commande et l'utilisateur de cet ensemble.

 Les clauses de ce document peuvent contenir des considérations :

     - juridiques,

     - commerciales,

     - techniques.

 On y retrouve:

• Une description claire des fonctions et des performances de l'automatisme à concevoir.
• Les spécifications du comportement de la partie "commande" vis-à-vis de la partie "opérative".

Les niveaux de spécifications :

Les spécifications fonctionnelles

Elles décrivent en terme de fonction les comportements que doit avoir:

  - la partie commande face aux informations issues de la partie opérative, les intervenants ou d'autres parties commande.

 Les spécifications fonctionnelles :

• permettent de décrire le fonctionnement de la partie "opérative" de l'automatisme séquentiel;
• déterminent aussi les réactions de la partie "commande" en fonction des informations reçues de la partie "opérative".

 Ces spécifications doivent donc définir très clairement et avec précision les différentes fonctions, informations et commandes associées à l'automatisme de la partie "commande" sans tenir compte des technologies qui seront appliquées ou utilisées.

Les spécifications technologiques 

Elles décrivent en terme de moyens, donc de solutions technologiques, le fonctionnement de la partie commande.

 Les spécifications technologiques précisent comment l'automatisme devra s'incorporer à l'ensemble constitué par le système automatisé et son environnement.

 Ces spécifications sont des précisions à apporter en complément aux spécifications fonctionnelles pour que l'on puisse concevoir un automatisme pilotant réellement la partie "opérative":

   - Les informations sur la nature exacte des capteurs, des pré-actionneurs et des actionneurs employés,

   - Leurs caractéristiques et les contraintes qui peuvent en découler interviennent seulement à ce stade.

A ces spécifications d'interfaces, exemple pré-actionneurs, on peut également ajouter celles de l'environnement de l'automatisme telles que la température, l'humidité, la pression d'alimentation, etc.

A ce stade de la conception de l'automatisme, on passe des données générales de son fonctionnement aux spécifications précises. Ces spécifications déterminent avec exactitude les actions à accomplir à chaque étape de l'automatisme en tenant compte des outils technologiques, de leurs limitations et de leurs contraintes.

les spécifications opérationnelles

Elles décrivent :

    - Les comportements que doivent posséder la partie commande, et le système automatisé, dans le contexte de production,

    - Les performances globales du système automatisé, la maintenance, les mode de marche et d'arrêts…

Le fonctionnement de toute machine industrielle se caractérise par la notion de cycle. En partant d'un état donné, toute machine effectuera différentes actions et retrouvera de nouveau l'état de départ.

Tout ce qui se produit entre ces deux passages est appelé "cycle". 

L'état de départ se définit comme l'état initial. Le Grafcet, outil graphique décrit les cycles par une succession d'Etapes et de Transitions, aux Étapes sont associées des actions, aux Transitions sont associées des réceptivités.

Considérez l'exemple d'une poinçonneuse dont le schéma de fonctionnement est montré à la figure suivante.

Schéma de fonctionnement d'une poinçonneuse :

Le cycle de fonctionnement de cette poinçonneuse se compose d'une attente de l'ordre de marche à l'état initial, du serrage de la tôle, d'une descente jusqu'à la position basse, d'une remontée jusqu'à la position haute et du desserrage de la tôle.

 A partir de cet exemple, on peut détailler les éléments du langage Grafcet.

Les étapes en grafcet :

Le cycle de la poinçonneuse est composé d'étapes.

Chaque étape correspond à une partie du fonctionnement caractérisé par les mouvements ou les transformations qui s'y produisent qui constituent en langage Grafcet les actions associées à cette étape.

Dans l'exemple de la poinçonneuse, on remarque l'existence de cinq étapes :

La figure suivante montre des représentations d'étapes à un instant donné du fonctionnement.

Représentations d'étapes en langage Grafcet :