Comment fonctionne un automate programmable industriel ?

Les automates programmables industriels, aussi appelés API, ou PLC (Programmable Logic Controller), peuvent être vus comme des ordinateurs. La différence est qu’ils ont été conçus spécifiquement pour fonctionner dans un environnement industriel parfois difficile, soumis aux vibrations, aux perturbations électriques, aux températures élevées ou encore à l’humidité.

Mais surtout, contrairement à un ordinateur capable d’exécuter une multitude d’applications différentes, un automate est dédié à une mission précise. Il exécute en permanence le programme lui permettant de piloter un procédé industriel.

Composition générale des automates

Avant de rentrer dans les détails du fonctionnement des API, il est important de comprendre la structure générale qui les compose.

Pour interagir avec un procédé industriel, un automate doit d’abord acquérir des informations sur son environnement. Des pressions, des températures, des états, des vitesses, des positions, etc. Une fois toutes ces données récupérées, elles sont traitées par l’automate afin de prendre des décisions en fonction du programme qui lui a été demandé d’exécuter. Il est alors capable de donner des « ordres » aux machines. Faire varier la vitesse d’un moteur, allumer un voyant, actionner un vérin ou encore pousser une pièce sur un convoyeur.

Qu’il soit compact ou modulaire, un automate réalise ce travail grâce à plusieurs composants. Pour acquérir les informations provenant du terrain, il utilise un ou plusieurs modules d’entrées. Le traitement des données lui, est assuré par une unité centrale, appelée CPU (Central Processing Unit), qui exécute le programme utilisateur. Enfin, un ou plusieurs modules de sorties permettent à l’automate d’agir sur le monde réel en commandant les différents actionneurs du procédé.

Les différents types d’entrées / sorties des automates

Acquérir des informations, c’est bien, mais encore faut-il comprendre de quel type d’information il s’agit. Pour les entrées comme pour les sorties, il existe plusieurs types de signaux :

• Les TOR (Tout Ou Rien)
• Les analogiques
• Les numériques

Type d’E/S	Description	Utilisation
Tout Ou Rien (TOR)	Information binaire (1 ou 0)	Marche / Arrêt, présent / absent
Analogique	Signal continu représentant une grandeur physique	Niveau d’une cuve, pression
Numérique	Informations codées en bits échangées via un réseau industriel	Variateur, RFID, vision, capteurs IO-Link, Profinet, Modbus

Les plus simples sont les E/S tout ou rien. Il s’agit d’informations qui indiquent uniquement un état binaire : 0 ou 1, activé ou désactivé, ouvert ou fermé. Pour les entrées, on retrouve par exemple des capteurs tels que des fins de course ou des capteurs photoélectriques. Pour les sorties, on aura plutôt affaire à des électrovannes, des voyants ou encore des contacteurs.

Viennent ensuite les E/S analogiques. Contrairement aux signaux TOR, elles ne se limitent pas à deux états mais peuvent prendre une infinité de valeurs dans une plage définie. Elles permettent donc de mesurer ou de commander une grandeur physique de manière précise. En entrée, on retrouve par exemple des capteurs de pression, de température ou de niveau transmettant un signal de type 0-10 V ou 4-20 mA. En sortie, l’automate peut envoyer une consigne à un variateur de vitesse, une vanne proportionnelle ou tout autre équipement nécessitant une valeur variable plutôt qu’un simple ordre marche/arrêt.

Enfin, certaines informations peuvent être échangées sous forme numérique. Dans ce cas, les données ne transitent plus sous la forme d’une tension ou d’un courant représentant directement une valeur physique, mais sous la forme de données codées. C’est notamment le cas des capteurs intelligents, des variateurs de vitesse ou encore des systèmes de vision qui communiquent avec l’automate via des réseaux industriels tels que Profinet, Ethernet/IP ou Modbus. Ces échanges permettent de transmettre beaucoup plus d’informations qu’un simple signal TOR ou analogique.

Ces échanges numériques reposent eux aussi sur un codage binaire (0 et 1), mais contrairement aux entrées TOR qui représentent un état simple, ils permettent de transmettre des informations structurées (mots, registres, variables), souvent via des protocoles de communication industrielle.

Le cycle de fonctionnement

Toutes ces informations provenant du terrain évoluent en permanence !

Or, un automate ne peut pas traiter instantanément toutes les informations qu’il reçoit. Sans une organisation particulière, certaines entrées pourraient changer d’état pendant l’exécution du programme, ce qui rendrait le comportement de l’automate difficile à prévoir.

Pour éviter ce problème, les automates fonctionnent de manière cyclique.

Au début du cycle, l’automate lit l’état de ses entrées et stocke ces informations dans une mémoire interne. Ces données sont ensuite figées pendant toute la durée du traitement. La CPU exécute alors le programme utilisateur à partir de cette image des entrées et détermine l’état que devront prendre les sorties selon le programme. Ce résultat est lui aussi stocké dans une mémoire interne.

Une fois le programme entièrement exécuté, les nouveaux états des sorties sont envoyés vers les équipements du terrain. Le cycle est alors terminé et l’automate recommence immédiatement par une nouvelle lecture des entrées.

Ce fonctionnement permet à l’automate de travailler sur un ensemble de données cohérent et de garantir un comportement prévisible du programme.

Les mémoires de l’automate

Pour fonctionner correctement, un automate doit être capable de stocker différentes informations. C’est le rôle des mémoires internes.

Toutes les données n’ont cependant pas la même importance. Certaines doivent être conservées même après une coupure d’alimentation tandis que d’autres ne sont utiles que pendant l’exécution du programme.

• La mémoire ROM (Read Only Memory) contient les informations nécessaires au fonctionnement de l’automate lui-même. On y retrouve notamment le système d’exploitation et les fonctions de base du constructeur. Son contenu est conservé même lorsque l’automate n’est plus alimenté.
• La mémoire RAM (Random Access Memory) est utilisée pendant le fonctionnement de l’automate. C’est notamment elle qui permet de stocker temporairement les états des entrées, des sorties mais aussi des variables et les résultats intermédiaires du programme. Son contenu est généralement perdu lors d’une coupure d’alimentation.
• On peut également rencontrer des mémoires non volatiles telles que les EPROM, EEPROM ou mémoires Flash. Elles permettent de conserver le programme utilisateur, les paramètres de configuration que les opérateurs entrent par exemple sur leur IHM ou certaines données importantes même lorsque l’automate est hors tension.

Grâce à ces différents types de mémoires, l’automate peut à la fois exécuter rapidement son programme et conserver les informations indispensables à son redémarrage.

Les différents types d’automate

Tout comme les mémoires, tous les automates fonctionnent selon les mêmes principes. En revanche, en fonction de la complexité du procédé industriel et du nombre d’entrées/sorties à gérer, il existe différentes gammes d’automates, avec des puissances et des fonctionnalités adaptées.

On retrouve d’abord les petits automates compacts, comme par exemple le LOGO! de SIEMENS, utilisés pour des applications simples. Ils permettent de gérer un convoyeur ou une petite machine autonome. Leur nombre d’E/S est limité et leurs fonctions restent basiques.

À l’inverse, certains automates beaucoup plus puissants, comme le ControlLogix 5590 de Rockwell, sont capables de piloter des installations complexes avec un grand nombre d’entrées/sorties, de la communication avec d’autres équipements, des interfaces homme-machine et des fonctions avancées de supervision.

On retrouve également de plus en plus d’automates dits Safety, spécialisés dans la gestion des fonctions de sécurité. Ils sont conçus pour surveiller des situations critiques et garantir la mise en sécurité des machines en cas de défaut ou de comportement dangereux.

La communication

Un automate ne travaille généralement pas seul. Dans la plupart des installations, il doit échanger des informations avec d’autres équipements.

Ces communications peuvent se faire via des réseaux filaires, comme Ethernet industriel ou des bus de terrain comme PROFIBUS, pour ne citer que lui. Mais aussi parfois via des solutions sans fil, tel que le réseau WIFI ou des modules de communication utilisant même une carte SIM, pour les sites isolés.

Au-delà de communiquer avec des capteurs et récepteurs, les automates peuvent aussi fonctionner en réseau, suivant une architecture maître/esclave avec un automate principal et un ou plusieurs automates secondaires plus petits. Selon les protocoles utilisés, cela permet de structurer les échanges entre plusieurs machines ou automates dans une même installation.

Mécanisme de fiabilité

Dernier point important à voir, dans un environnement industriel, un automate doit fonctionner en continu et de manière fiable, souvent 24h/24. Pour ça, il embarque plusieurs mécanismes de surveillance.

On retrouve par exemple le “watchdog” aussi appelé “chien de garde”, qui vérifie que le programme s’exécute correctement dans le temps imparti. S’il détecte un blocage ou un comportement anormal, il peut forcer un redémarrage ou mettre l’automate en sécurité.

Il y a aussi des contrôles mémoire pour vérifier que les données ne sont pas corrompues, ainsi que des systèmes de détection de défauts matériels.

En parallèle, les automates disposent de fonctions de diagnostic intégrées, qui permettent de remonter rapidement un défaut sur IHM par exemple. Module HS, problème de communication, erreur de configuration… bref, de quoi gagner beaucoup de temps sur le terrain quand une panne survient.

Tout cet ensemble de surveillance permet à l’automate de rester fiable dans des conditions parfois difficiles, avec du bruit électrique, des vibrations, ou des installations qui tournent sans arrêt.

Glossaire

Composants électroniques

• CPU (Central Processing Unit) : unité centrale de traitement qui exécute le programme utilisateur et gère les opérations logiques et arithmétiques.
• Module d’entrées : interface permettant de recevoir les signaux provenant des capteurs du procédé.
• Module de sorties : interface permettant de commander les actionneurs (moteurs, vérins, voyants…).
• IHM (Interface Homme Machine) : dispositif permettant à l’opérateur de surveiller et contrôler les installations.

Données et communication

• Bit : plus petite unité d’information binaire (0 ou 1).
• Mot (word) : ensemble de plusieurs bits (souvent 8, 16, 32 ou 64 bits) représentant une donnée numérique.
• Registre : zone mémoire utilisée pour stocker des mots de données.
• Protocole de communication : ensemble de règles permettant l’échange de données entre équipements (Modbus, Profinet, Ethernet/IP).
• Réseau industriel : infrastructure de communication reliant automates, capteurs et actionneurs.

Mémoires

• ROM (Read Only Memory) : mémoire contenant le système d’exploitation de l’automate, non modifiable et permanente.
• RAM (Random Access Memory) : mémoire volatile utilisée pour les variables et données temporaires.
• EEPROM / Flash : mémoire non volatile permettant de conserver programme et paramètres.

FAQ