Pilotage d’un système automatisé de production via Profibus pour l’enseignement des automatismes

08/02/2013
Auteurs :
Publication 3EI 3EI 2013-71
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2013-71:3426
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Résumé

Pilotage d’un système automatisé de production via Profibus  pour l’enseignement des automatismes

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Pilotage d’un système automatisé de production via Profibus pour l’enseignement des automatismes JM ROUSSEL, P REBEIX, C DELAS* IUT de l’Indre, Département GEII, 2 avenue François Mitterrand 36000 CHATEAUROUX * Ingénieur support produits automatisation répartie Siemens Automation & Drives (A&P) Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr pascal.rebeix@univ-orleans.fr * christophe.delas@siemens.com 1. Introduction 1.1. Contexte local Outre le DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle, le département GEII de l’IUT de l’Indre accueille la licence professionnelle Supervision des Automatismes des Réseaux (SAR) et l’école d’Ingénieurs sur l’Intelligence de l’habitat de Polytech’Orleans. Il est donc nécessaire de disposer de plates formes pédagogiques comprenant des architectures automatisées avec les nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC). Le contexte local, une seule salle d’automatisme, fait que les étudiants peuvent passer trois à cinq ans sur le même type de maquette. Ceci nous impose de développer des plates formes ouvertes pour illustrer les enseignements liés à l’automatisme et aux réseaux locaux industriels. 1.2. Les objectifs Les réflexions menées au sein du département en partenariat avec les industriels locaux, ont abouti à la volonté de disposer de produits d’automatisme des sociétés Siemens et Schneider leaders mondiaux dans ce domaine. Or le département GEII ne disposait à ce jour que de produits d’automatisme issus principalement de la société Schneider. Nous avons décidé d’équiper notre salle de trois maquettes à base de produits Siemens. Ces maquettes seront développées et réalisées dans le cadre des projets tutorés de deuxième année GEII et licence SAR. D’un point de vue technique, nous détaillerons une des maquettes industrielles à vocation pédagogique basée sur Profibus qui est un réseau de terrain ouvert. Puis, nous présenterons les possibilités de travaux pratiques pour illustrer les enseignements de l’automatisme en DUT GEII et licence SAR. 2. Plate-forme expérimentale 2.1. Cahier des charges Afin que le système puisse être utilisé pendant toute la formation DUT GEII ou licence SAR, le cahier des charges doit répondre à plusieurs exigences : - Utiliser la technologie Siemens et la plateforme logiciels associées Step7 et WinCC Flexible ; - Familiariser les étudiants de première année GEII ou Polytech à l’automatisme ; - Sensibiliser les étudiants de deuxième année GEII aux bus de terrain, destinés aux applications de contrôle de process nécessitant la communication avec des équipements de terrain (capteurs, actionneurs) ; - Aborder en licence SAR, le suivi, la traçabilité, le tracking des produits, la gestion d’une base de données à l’aide d’un lecteur RFID et établir un dialogue « homme – machine » via une IHM Simatic Panel ; - Enfin la maquette doit être représentative d’une réalité industrielle. Résumé : Cet article présente une plateforme pédagogique d’automatisme destiné à la formation des étudiants de DUT GEII et licence SAR. Cette maquette développée au sein de l’IUT dans le cadre des projets tuteurés de deuxième année DUT GEII et licence SAR doit être un support de formation pour les techniques d’automatisation courantes ; programmation, systèmes bus de terrain, communication réseau, visualisation de process et gestion d’une base de données. Mots clés : Réseaux Locaux Industriels, Profibus, RIFD, Simatic S7 300, Step 7 2.2. Présentation de la maquette La maquette sert à trier des colis de taille différente. Les colis insérés au début de la bande sont détectés à l’aide d’un capteur à réflexion, des capteurs en aval du barrage détectent la hauteur des colis. Le tri des colis et leur acheminement aux glissières respectives sont assurés par des volets manœuvrés par des vérins rotatifs. Figure 1 : schéma de principe La maquette comprend : - un convoyeur entraîné par un moto-variateur raccordé au réseau Profibus DP ; - un API à fonctionnalité de maître Profibus DP ; - deux vérins rotatifs permettant l’évacuation des colis (piloté par un distributeur sur réseau Probus DP) ; - deux cellules photoélectriques de type barrage assurant la détection de la hauteur des colis ; - un laser pour mesurer la distance d’avancement du colis afin de connaître sa position sur le convoyeur; - un lecteur RFID, quatre voyants en colonne, des boutons poussoirs. La figure 2 présente la réalisation finale de la maquette. Figure 2 : La maquette de tri avec sa partie électrique et pneumatique 2.3. Le réseau Profibus 2.3.1. Historique Conçu en 1987, le protocole Profibus (PROcess FIeld BUS) est un bus de terrain standard non- propriétaire très répandu en Europe dans les industries de process. La plupart des installations dans le monde de l’automobile utilisent le réseau Profibus. Profibus, normalisée selon la norme internationale CEI 61158/61784, fournit une solution de bus de terrain performante, ouverte et robuste, avec des temps de réaction courts, moyennant les protocoles suivants : - Le protocole FDL (Fieldbus Data Link), pour la communication entre stations actives (émission / réception de paquets de données) ; - Le protocole FMS (Fieldbus Message Specification), pour la communication entre stations actives avec accès via un nom aux données et possibilité de sécuriser l’accès en lecture / écriture. - Le protocole DP (Decentralized Peripheral), pour la communication rapide entre des stations d’entrées / sorties (esclave DP) avec l’API (maître DP). C’est une communication déterministe, l’échange des données est permanent et s’effectue à une cadence donnée. Ce protocole permet de diminuer au maximum les longueurs de câbles capteurs / acquisition et pilotage / actionneurs. Le support physique utilisé peut être : - Cuivre, paire torsadée. La vitesse de transmission va de 9,6 kbits/s à 12 Mbits/s. Sa longueur peut aller jusqu’à 2 km à 1,5 Mbits/s avec utilisation de 9 répéteurs. L’architecture est soit du type linéaire, soit du type étoile ; - Fibre optique. Sa longueur peut aller jusqu’à 100 km. L’architecture est soit du type linéaire / étoile, soit du type anneau ; - Infrarouge. Vitesse de transmission maxi 1,5 Mbits/s avec une portée de 15 m maxi. Pour la partie intrinsèque (explosive) des installations le Profibus PA (Process Automation) étend le Profibus DP selon la norme CEI 61158-2. Il est particulièrement destiné à l’automatisation de process pour le contrôle des instruments de mesure. Son support physique est une paire de câbles torsadés blindés (STP) RS485. Etant donné que les installations en sécurité intrinsèque ne transmettent qu’un faible courant, le bus peut être utilisé dans les zones ATEX. L’inconvénient majeur du Profibus PA est son taux de transmission de seulement 31,25 kbits/s. Les longueurs maximales sont de 1900 m en zone sure et de 1000 m en zone explosive. Le réseau Profibus est le plus utilisé dans le monde, sachant que la plupart du temps c’est le protocole DP qui est utilisé. 2.3.2. Principe d’accès au bus Profibus met en oeuvre un modèle de communication de type maître - esclave selon un mode d’accès au bus de nature hybride comme le montre la figure 3. Ainsi, il n’y a pas de risque de collision, le maître gère l’accès au médium. Figure 3 : maître - esclave La communication entre stations actives est basée sur le concept d’anneau à jeton. Les stations passives (esclaves) utilisent le concept maître–esclave. Figure 4 : La gestion d’accès à Profibus : configuration maître – esclaves et passage du jeton Le concept d’anneau à jeton garantit que l’accès au bus est donné à chaque équipement maître dans une fenêtre de temps prédéfinie. Le jeton est un télégramme particulier émis par un maître qui doit circuler vers les autres maîtres de l’anneau dans un temps configurable. A tous les tours de cycle (passage du jeton) un maître DP échange les données d’entrées/sorties avec ses esclaves DP (maxi 244 octets d’entrées et 244 octets de sorties par esclave DP). Le concept maître-esclave permet au maître en possession du jeton d’accéder aux esclaves qui lui sont assignés (les stations passives) ainsi qu’aux autres maîtres (messagerie FMS) ; 2.4. Configuration du réseau Profibus et types d’équipements 2.4.1. Architecture du réseau de la maquette La figure 5 montre l’architecture des réseaux installés sur la maquette. Le bus de terrain « Profibus » est interfacé avec un système de périphérie décentralisé ET200, un variateur de vitesse Micromaster, un module ASM450 pour le RFID, un module pneumatique et un coupleur Ethernet CP 343. Figure 5 : Architecture du réseau de la maquette L’automate programmable SIMATIC S7-300 dispose d’un coupleur « Profibus DP » et d’un coupleur Ethernet CP 343. La transmission des informations à l’API s’effectue via le bus de terrain Profibus. La configuration, le contrôle du bus et la programmation des applications s’effectuent via le logiciel Step 7 qui répond à la norme DIN EN 6.1131- 3. 2.4.2. Configuration des fichiers GSD Les caractéristiques d’un équipement Profibus DP sont décrites sous la forme d’une « électronic device data sheet » (Géneral Station Description file) dans un format prédéfini. Les fichiers GSD contiennent : - les spécifications générales : cette section contient les informations sur le fabricant, le nom du produit, les versions hardware et software, les débits supportés, etc… ; - les spécifications relatives au maître : cette section contient tous les paramètres relatifs aux maîtres, comme le nombre maximum d’esclaves, les options de chargement et déchargement ; - les spécifications relatives aux esclaves : cette section contient les spécifications relatives aux esclaves comme le nombre et le type de variables d’E/S, les textes de diagnostics, les informations sur les modules présents pour les modules modulaires. 2.4.3. Mise en œuvre du réseau Profibus Sous Step 7, la configuration du maître DP s’effectue à l’aide de l’éditeur de configuration matérielle HW-Config comme indiqué en figure 6. Figure 6 La configuration des réseaux de la maquette obtenue est donnée en figure 7. Figure 7 2.4.4. Mise en œuvre d’un variateur Masterpack sur un réseau Profibus La communication des variateurs sur Profibus peut se faire selon deux modes. Le mode cyclique PZD permet l’échange des données principales de fonctionnement du variateur (consigne vitesse, mode de marche, retour vitesse réelle, retour d’état du variateur). Le mode acyclique/cyclique PKW permet l’échange de tous les paramètres du variateur. La configuration et le paramétrage du variateur peuvent être effectuée dans un bloc programme de type FB. Exemple : modification des rampes d’accélération et décélération via le programme de l’API. Les messages émis à destination des variateurs esclaves et leurs réponses associées sont appelés PPO : Parameter Process Object. 2.4.5. Descriptif du PPO Le maître émet une requête cyclique à l’esclave Figure 8 Le maître reçoit une réponse cyclique de l’esclave Figure 9 : Tous les mots sont échangés cycliquement, mais les échanges apériodiques sont utilisés quand nécessaire : - PKW = Paramètre – Adresse – Valeur ; - PKE = Adresse du paramètre ; - PWE = Valeur du paramètre dont l’adresse est contenue dans PKE ; - PZD = Données de process. 3. Les travaux pratiques proposés 3.1. La liste des thèmes Les thèmes mis en œuvre autour du système de tri concernent : - établissement de la connexion TCP/IP ; - programmation d’automate en langage CONT, LOG et LIST ; - programmation d’une IHM avec le logiciel WinCC Flexible ; - motion control ; - familiarisation avec la technologie Profibus DP ; - test, intégration et mise en service de composants Profibus DP dans un système automatisé ; - configuration de message dans la base de données du système de contrôle commande ; - familiarisation avec la technologie RFID. 3.2. Exemple en première année GEII L’objectif visé est d’appréhender l’environnement Step 7 par la programmation d’un grafcet linéaire. Les étudiants apprennent dans ce TP à structurer leur programme. On impose la forme suivante via une structure prédéfinie : - OB1 : Tâche automate principale, autorisation des blocs FC1 à FC5 ; - FC1 : grafcet principal ; - FC2 : gestion des volets ; - FC3 : gestion de la commande du moteur ; - FC4 : gestion des voyants ; - FC5 : gestion des temporisations ; - FB3 : commande du moteur (appelé dans le FC3). Les blocs FC3, FC5 et FB3 sont pré-programmés afin de faciliter l’apprentissage des étudiants. On utilisera un mot, « mot grafcet », qui prendra la valeur de l’étape en fonction de l’évolution du grafcet cf figure 10. Figure 10 La notion de bus Profibus est donc transparente à ce niveau de formation. 3.3. Exemple en deuxième année GEII Le TP proposé en première année s’est affranchi des problèmes matériels liés à la configuration de l’A.P.I et du bus Profibus. En deuxième année, l’objectif est d’aborder la notion de communication maître-esclave pour la conduite d’un process. En matière d’entraînements, il s’agit typiquement de valeurs de consigne d’instructions de commande, d’information d’état et de valeurs effectives (mesures). L’échange de données sera cyclique lorsque les données devront être disponibles en permanence. Pour les données requises, que dans certains cas, il ne sera pas judicieux de charger le bus en permanence. L’échange de données sera alors de type acyclique et géré par le programme automate pour envoi au maître DP. Cela signifie que le programme utilisateur décide sur la base d’autres conditions, si l’échange de données avec l’esclave est nécessaire ou non. On demandera aux étudiants par exemple d’écrire un programme pour la lecture et l’écriture de paramètres dans le variateur Micromaster via le mécanisme de télégramme PKW. Etant donné que le télégramme doit se composer de 4 mots, pour des raisons de cohérence des données la transmission des données d’effectue avec les fonctions système SFC 14/15. Le télégramme se compose des éléments suivants : -identification de paramètre (PKE) qui contient un numéro d’ordre, par exemple pour modifier un paramètre, et le numéro du paramètre - indice de paramètre (IND) pour les paramètres indexés, pour la sélection du bloc d’entraînement - valeur du paramètre sous forme de nombre hexadécimal sur 16 ou 32 bits, constante de temps de la rampe d’accélération. 3.4. Exemple en licence SAR Dans le module relatif aux projets tuteurés, un groupe d’étudiants est chargé de développer une interface homme machine, de mettre en place un serveur OPC, transfert et gestion d’une base de données issus des informations délivrées par les puces RFID insérées dans chaque colis. Figure 10 : Page d’acceuil IHM 4. Conclusion Nous avons présenté dans cet article, une maquette didactique qui ouvre de réelles perspectives d’offre de formation en automatisme du DUT à la licence. Ce travail a été mené dans le cadre des projets tuteurés du DUT GEII en collaboration avec la société Siemens. Cette collaboration industrielle fut un élément de motivation pour nos étudiants. L’expérience acquise a été mise à profit pour le développement d’une nouvelle maquette didactique sous technologie Profinet. Enfin, cette maquette a permis de répondre à l’objectif initial à savoir utiliser une même maquette du DUT à la licence professionnelle SAR pour l’enseignement des automatismes. Elle sert aussi à alimenter les projets en licence SAR. 5. Références [1] E.Bajic et B.Bouard, Réseau Profibus, Techniques de l’Ingénieur, S 8 160 [2] B.Bouard, Ethernet en tant que réseau de terrain : standard PROFINET, Techniques de l’Ingénieur, S 8 162 [3] JP.Thomesse, Réseaux locaux industriels, Techniques de l’Ingénieur, S 7 574 [4] Micromaster, Module optionnel Profibus, Siemens Automation&Drives, Edition 02/2002 [5] Profibus, Théorie et pratique de la technologie – manuel technique, Siemens Automation&Drives, Edition 10/2002 [6] S7-300, Automate programmable, caractéristiques des modules, Siemens Automation&Drives, Edition 12/2006