Langage Ladder : Contrôle d’une Machine avec Interlock

Voici une série d’exercices et un TP complet sur le contrôle d’une machine avec interlock en utilisant le langage ladder, adapté aux étudiants souhaitant développer leurs compétences en automatisation industrielle. Le sujet porte spécifiquement sur la programmation de systèmes industriels où le démarrage d’une machine est conditionné par des éléments de sécurité (interlock).

Exercice 1 : Démarrage d’une machine avec interlock de sécurité

Objectif :
Créer un programme ladder simple pour démarrer une machine uniquement lorsque :

1. Le bouton de démarrage est pressé.
2. Le système de sécurité est actif (interlock de sécurité).

Éléments :

• Bouton de démarrage : START_BUTTON (NO).
• Sécurité active : SAFETY (NO).
• Machine : MACHINE_ON (bobine pour activer la machine).

Instructions :

Créez un programme ladder pour ces conditions. Lorsque les deux contacts (START_BUTTON et SAFETY) sont activés, la machine démarre. Si le système de sécurité est inactif (contact SAFETY non activé), la machine ne doit pas démarrer.

Solution attendue :

|----[ START_BUTTON ]----[ SAFETY ]----( MACHINE_ON )----|

Explication :

• Le contact NO START_BUTTON simule le bouton de démarrage.
• Le contact NO SAFETY est l’interlock de sécurité qui doit être actif pour démarrer la machine.
• Lorsque les deux contacts sont fermés, la bobine MACHINE_ON est activée, et la machine démarre.

Exercice 2 : Ajout d’un arrêt d’urgence

Objectif :
Modifier le programme précédent pour inclure un bouton d’arrêt d’urgence. Si ce bouton est pressé, la machine s’arrête immédiatement, même si START_BUTTON et SAFETY sont activés.

Éléments supplémentaires :

• Bouton d’arrêt d’urgence : EMERGENCY_STOP (NO).

Instructions :

Ajoutez le bouton d’arrêt d’urgence à votre programme ladder. Si EMERGENCY_STOP est activé (fermé), la machine doit s’arrêter immédiatement.

Solution attendue :

|----[ START_BUTTON ]----[ SAFETY ]----[ NOT EMERGENCY_STOP ]----( MACHINE_ON )----|

Explication :

• Le contact NC EMERGENCY_STOP est utilisé pour arrêter la machine lorsqu’il est activé.
• Si EMERGENCY_STOP est activé (contact fermé), le courant ne peut plus passer à travers MACHINE_ON, et la machine s’arrête.

Exercice 3 : Temporisation du démarrage

Objectif :
Ajouter une temporisation de 5 secondes avant le démarrage de la machine une fois que le bouton de démarrage et la sécurité sont activés.

Éléments supplémentaires :

• Temporisateur : TON1 (Temporisation de 5 secondes).

Instructions :

Modifiez votre programme pour inclure une temporisation de 5 secondes entre le moment où le bouton de démarrage et l’interlock de sécurité sont activés, et le démarrage de la machine.

Solution attendue :

|----[ START_BUTTON ]----[ SAFETY ]----[ NOT EMERGENCY_STOP ]----[ TON1 ]----( MACHINE_ON )----|

• Temporisateur TON1 : Déclenche un délai de 5 secondes avant l’activation de la bobine MACHINE_ON.

Explication :

• Après que START_BUTTON, SAFETY, et NOT EMERGENCY_STOP sont activés, le temporisateur TON1 démarre.
• Lorsque les 5 secondes s’écoulent, MACHINE_ON s’active, démarrant ainsi la machine.

Exercice 4 : Démarrage séquentiel de deux machines

Objectif :
Vous devez programmer deux machines (MACHINE_1 et MACHINE_2) qui démarrent de manière séquentielle. MACHINE_2 ne peut démarrer que 10 secondes après le démarrage de MACHINE_1.

Éléments supplémentaires :

• Machine 1 : MACHINE_1_ON.
• Machine 2 : MACHINE_2_ON.
• Temporisateur : TON2 (temporisation de 10 secondes pour démarrer MACHINE_2).

Instructions :

Créez un programme ladder où :

• La machine 1 démarre immédiatement lorsque le bouton de démarrage et l’interlock de sécurité sont activés.
• La machine 2 démarre après 10 secondes de fonctionnement de la machine 1.

Solution attendue :

|----[ START_BUTTON ]----[ SAFETY ]----( MACHINE_1_ON )-----------------------|
|----[ MACHINE_1_ON ]----[ TON2, 10s ]----( MACHINE_2_ON )--------------------|

Explication :

• Lorsque MACHINE_1_ON est activé, TON2 commence à compter 10 secondes.
• Une fois les 10 secondes écoulées, MACHINE_2_ON est activé, démarrant ainsi la deuxième machine.

Travail Pratique (TP) : Système de contrôle d’une chaîne de production avec interlock de sécurité et démarrage séquentiel

Objectif :

Dans ce TP, les étudiants doivent programmer un système de contrôle d’une chaîne de production. Le système comprend trois machines qui doivent démarrer séquentiellement en fonction des conditions de sécurité et des temporisations.

Énoncé :

Dans une chaîne de production :

1. La machine 1 démarre lorsque le bouton de démarrage est pressé et que la sécurité est active.
2. La machine 2 démarre 5 secondes après la machine 1.
3. La machine 3 démarre 10 secondes après la machine 2.
4. Si le bouton d’arrêt d’urgence est activé, toutes les machines s’arrêtent immédiatement.

Éléments :

• Bouton de démarrage : START_BUTTON (NO).
• Interlock de sécurité : SAFETY (NO).
• Bouton d’arrêt d’urgence : EMERGENCY_STOP (NO).
• Machine 1 : MACHINE_1_ON.
• Machine 2 : MACHINE_2_ON.
• Machine 3 : MACHINE_3_ON.
• Temporisateurs : TON1 (5 secondes pour machine 2), TON2 (10 secondes pour machine 3).

Étapes :

Analyse du système :

• Identifiez les différentes entrées et sorties (boutons, interlock, machines, temporisateurs).
• Réalisez un schéma logique des étapes du processus.

Programmation :

• Utilisez un logiciel de simulation de PLC (par exemple, TIA Portal, RSLogix, Codesys).
• Implémentez la logique ladder pour le démarrage séquentiel des trois machines en tenant compte des conditions de sécurité.

Logique ladder :

• Machine 1 démarre immédiatement après que START_BUTTON et SAFETY sont activés.
• Machine 2 démarre après un délai de 5 secondes.
• Machine 3 démarre après 10 secondes supplémentaires.
• Un appui sur EMERGENCY_STOP arrête immédiatement toutes les machines.

Exemple de solution :

|----[ START_BUTTON ]----[ SAFETY ]----[ NOT EMERGENCY_STOP ]----( MACHINE_1_ON )----|
|----[ MACHINE_1_ON ]----[ TON1, 5s ]------------------------------------( MACHINE_2_ON )----|
|----[ MACHINE_2_ON ]----[ TON2, 10s ]-----------------------------------( MACHINE_3_ON )----|
|----[ EMERGENCY_STOP ]-------------------------------------------------( MACHINE_OFF )----|

Tests et validation :

• Test 1 : Assurez-vous que la machine 1 démarre immédiatement après l’activation de START_BUTTON et SAFETY.
• Test 2 : Vérifiez que la machine 2 démarre exactement 5 secondes après la machine 1.
• Test 3 : Vérifiez que la machine 3 démarre 10 secondes après la machine 2.
• Test 4 : Testez l’arrêt d’urgence en appuyant sur EMERGENCY_STOP, et assurez-vous que toutes les machines s’arrêtent instantanément.

Rapport :

Rédigez un rapport détaillant :

1. La logique de fonctionnement du système.
2. Le diagramme ladder utilisé.
3. Les résultats des tests.
4. Les éventuelles difficultés rencontrées et les solutions mises en place.

Critères d’évaluation :

• Conception de la logique ladder (40%) : Correction et efficacité de la logique de contrôle.
• Implémentation technique (40%) : Fonctionnalité du programme dans le simulateur ou sur l’automate physique.
• Rapport (20%) : Clarté et qualité du rapport.

Étape supplémentaire : Extension du TP pour une Automatisation Complète

Pour les étudiants ayant maîtrisé les bases, ce TP peut être enrichi avec des fonctionnalités avancées afin de simuler un environnement de production industriel plus complexe.

Idées d’Extensions :

1. Ajout de Capteurs de Température et de Sécurité :

• Intégrez un capteur de température pour surveiller chaque machine.
• Si la température dépasse un seuil prédéfini, la machine concernée doit s’arrêter pour éviter la surchauffe.
• Programmation : Utilisez un capteur analogique (TEMP_SENSOR) avec une condition d’arrêt automatique (TEMP_ALARM) qui stoppe la machine. Solution attendue :

   |----[ TEMP_SENSOR > TEMP_MAX ]-----( TEMP_ALARM )----|
   |----[ TEMP_ALARM ]-----------------( MACHINE_OFF )----|

2. Comptage de Produits en Production :

• Ajoutez un compteur pour suivre le nombre de produits traités par les machines.
• Lorsque le compteur atteint une valeur prédéfinie (par exemple, 100 produits), le système active un signal de maintenance et arrête les machines pour inspection. Solution attendue :

   |----[ PRODUCT_SENSOR ]------------------[ CTU, COUNTER ]------------------|
   |----[ COUNTER >= 100 ]-----------------( MAINTENANCE_SIGNAL )------------|

3. Ajout d’un Écran de Supervision avec Statut des Machines :

• Ajoutez une interface pour afficher le statut de chaque machine (en marche, arrêtée, en maintenance) et les alertes.
• Programmation : Configurez des sorties dédiées (DISPLAY_STATUS) qui activent des messages d’état sur l’écran selon les conditions de la machine.

Étapes d’Implémentation pour les Extensions

Capteur de Température et Sécurité :

• Programmez la logique ladder pour surveiller la température de chaque machine.
• Testez la logique en simulant une surchauffe pour chaque machine et vérifiez que le programme arrête la machine concernée.

Comptage de Produits et Maintenance :

• Connectez un capteur de passage pour compter chaque produit traité.
• Lorsque le compteur atteint 100, vérifiez que le programme déclenche l’arrêt des machines et l’activation du signal de maintenance.

Écran de Supervision :

• Intégrez des indicateurs de statut sur l’écran pour chaque machine.
• Simulez différents statuts et conditions de machine pour vérifier l’affichage correct des informations sur l’écran de supervision.

Tests et Validation des Extensions

• Test 5 : Vérifiez que la machine concernée s’arrête lorsqu’elle dépasse le seuil de température.
• Test 6 : Assurez-vous que le système déclenche la maintenance et arrête la production lorsque le compteur atteint le nombre de produits spécifié.
• Test 7 : Simulez différents états des machines et vérifiez que le bon statut s’affiche sur l’écran de supervision.

Rapport Final Étendu

Pour les étudiants ayant réalisé des extensions, le rapport final doit inclure des sections supplémentaires :

1. Description des Extensions : Détaillez chaque extension, son utilité, et comment elle a été programmée.
2. Résultats des Tests Supplémentaires : Documentez les résultats de chaque test des nouvelles fonctionnalités.
3. Améliorations Possibles : Discutez des potentiels ajouts et des améliorations envisageables pour une automatisation encore plus poussée.

Critères d’Évaluation pour les Extensions

• Programmation des Extensions (20%) : Cohérence, efficacité et bon fonctionnement des ajouts.
• Validation et Débogage (15%) : Capacité à tester et résoudre les problèmes liés aux extensions.
• Présentation du Rapport Étendu (15%) : Clarté et exhaustivité des explications techniques dans le rapport.

Conclusion Finale du TP avec Extensions

Ces extensions permettent aux étudiants de l’EPFL de pousser leur maîtrise de la programmation ladder dans des scénarios industriels plus complexes. Les extensions ajoutent des compétences en supervision, sécurité avancée, et suivi de production. A l’issue de ce TP, les étudiants apprennent à concevoir un système complet et robuste, répondant aux exigences industrielles modernes en termes de sécurité, de fiabilité, et d’optimisation des processus.

Voici un Travail Pratique (TP) conçu pour les étudiants universitaires en Belgique, dans le cadre d’un cursus en Génie Électromécanique, Automatisation Industrielle ou Électronique. Ce TP est conçu pour initier les étudiants aux systèmes de contrôle automatisé avec un automate programmable industriel (API/PLC) en utilisant le langage ladder.

TP : Contrôle d’un Système de Mélange et de Transfert de Liquides avec API

Objectif du TP :

Développer les compétences des étudiants en programmation ladder pour automatiser un processus de mélange et de transfert de liquides. Les étudiants devront programmer un système capable de :

1. Remplir une cuve de mélange avec deux liquides dans des proportions prédéfinies.
2. Mélanger le contenu de la cuve pendant une durée spécifiée.
3. Transférer le mélange final vers une cuve de stockage.

Ce TP met en avant l’importance des temporisations, des capteurs de niveau et des conditions de sécurité pour un processus automatisé en milieu industriel.

Contexte Industriel :

Vous travaillez pour une entreprise de fabrication de produits chimiques qui a besoin d’un système de mélange automatisé pour garantir des proportions précises et une qualité constante. Le système doit remplir une cuve de mélange avec deux liquides dans des proportions de 60 % pour le liquide A et 40 % pour le liquide B, puis mélanger le contenu et transférer le mélange final vers une cuve de stockage.

Compétences visées :

1. Maîtriser la programmation ladder pour un contrôle précis des processus industriels.
2. Savoir utiliser des temporisateurs et capteurs de niveau pour automatiser les étapes d’un processus.
3. Appliquer les notions de sécurité industrielle dans les systèmes automatisés.

Matériel requis :

• Automate programmable industriel (API/PLC) ou simulateur (TIA Portal, Codesys, ou autre).
• Cuve de mélange avec capteurs de niveau (haut et bas).
• Pompes pour remplir la cuve avec les liquides A et B et pour transférer le mélange.
• Agitateur pour mélanger les liquides.
• Écran de supervision (si disponible) pour afficher l’état du processus.
• Ordinateur avec logiciel de programmation ladder.

Étape 1 : Analyse et Description du Système

Le processus de mélange comprend les étapes suivantes :

Remplissage de la cuve :

• Lorsque le bouton de démarrage est activé, le système commence par remplir la cuve.
• Deux pompes (une pour le liquide A et une pour le liquide B) ajoutent les liquides en respectant la proportion de 60 % pour le liquide A et 40 % pour le liquide B.
• Le capteur de niveau haut (LEVEL_HIGH) détecte lorsque la cuve est pleine.

Mélange :

• Une fois la cuve remplie, l’agitateur démarre et mélange le contenu pendant 15 secondes.

Transfert :

• Après le mélange, une pompe de transfert se met en marche pour vider la cuve de mélange dans la cuve de stockage.
• Le capteur de niveau bas (LEVEL_LOW) détecte lorsque la cuve est vide.

Entrées et Sorties Nécessaires :

Entrées :

• Bouton de démarrage : START_BUTTON (NO).
• Bouton d’arrêt d’urgence : EMERGENCY_STOP (NO).
• Capteur de niveau bas : LEVEL_LOW (NO).
• Capteur de niveau haut : LEVEL_HIGH (NO).

Sorties :

• Pompe A : PUMP_A (pour remplir avec le liquide A).
• Pompe B : PUMP_B (pour remplir avec le liquide B).
• Agitateur : MIXER (pour mélanger les liquides).
• Pompe de transfert : PUMP_TRANSFER (pour vider la cuve de mélange).

Étape 2 : Définir la Logique de Contrôle

Remplissage :

• PUMP_A et PUMP_B démarrent lorsque le bouton de démarrage est pressé et que le capteur LEVEL_LOW est activé.
• PUMP_A fonctionne jusqu’à atteindre 60 % de la capacité de la cuve, puis PUMP_B complète les 40 % restants.
• Lorsque le capteur LEVEL_HIGH est activé, les pompes s’arrêtent.

Mélange :

• Lorsque LEVEL_HIGH est activé, MIXER démarre et fonctionne pendant 15 secondes.
• Une temporisation de 15 secondes (MIX_TIMER) arrête l’agitateur après le temps de mélange.

Transfert :

• Lorsque le mélange est terminé, PUMP_TRANSFER se met en marche pour vider la cuve.
• La pompe de transfert fonctionne jusqu’à ce que le capteur LEVEL_LOW indique que la cuve est vide.

Sécurité :

• Si EMERGENCY_STOP est activé, toutes les pompes et l’agitateur doivent s’arrêter immédiatement.

Étape 3 : Programmation Ladder

Implémentez les étapes du processus dans un programme ladder. Voici une structure suggérée pour chaque étape.

1. Logique de Démarrage et Arrêt d’Urgence

|----[ START_BUTTON ]--------------------( SYSTEM_START )-----------------|
|----[ EMERGENCY_STOP ]------------------( SYSTEM_STOP )------------------|

2. Remplissage de la Cuve

|----[ SYSTEM_START ]----[ LEVEL_LOW ]--------( PUMP_A_ON )---------------|
|----[ PUMP_A_TIME_REACHED ]------------------( PUMP_B_ON )---------------|
|----[ LEVEL_HIGH ]---------------------------( PUMPS_OFF )---------------|

• PUMP_A_TIME_REACHED simule la durée pour atteindre 60 % de remplissage avec PUMP_A.
• PUMP_B complète les 40 % restants jusqu’à ce que LEVEL_HIGH s’active.

3. Mélange

|----[ LEVEL_HIGH ]----[ MIX_TIMER, 15s ]----( MIXER_ON )-----------------|
|----[ MIX_TIMER_DONE ]-----------------------( MIXER_OFF )---------------|

• MIX_TIMER : Un temporisateur de 15 secondes pour le mélange. À la fin de la temporisation, l’agitateur MIXER s’arrête.

4. Transfert

|----[ MIX_TIMER_DONE ]----[ LEVEL_HIGH ]----( PUMP_TRANSFER_ON )---------|
|----[ LEVEL_LOW ]---------------------------( PUMP_TRANSFER_OFF )--------|

• PUMP_TRANSFER_ON active la pompe de transfert pour vider la cuve.
• Lorsque LEVEL_LOW détecte une cuve vide, la pompe s’arrête.

Étape 4 : Simulation et Tests

Utilisez un simulateur de PLC pour tester chaque étape du processus. Assurez-vous que le programme fonctionne correctement et respecte les conditions de sécurité et de remplissage.

1. Test de Remplissage : Vérifiez que PUMP_A et PUMP_B respectent les proportions de 60 % / 40 % et s’arrêtent lorsque la cuve est pleine.
2. Test de Mélange : Confirmez que MIXER fonctionne pendant 15 secondes une fois la cuve remplie.
3. Test de Transfert : Vérifiez que PUMP_TRANSFER se déclenche après le mélange et s’arrête lorsque la cuve est vide.
4. Test de Sécurité : Activez EMERGENCY_STOP pour vérifier que toutes les opérations s’arrêtent immédiatement.

Étape 5 : Rapport

Les étudiants doivent présenter un rapport détaillant :

1. Diagramme Ladder Final : Affichez le programme ladder complet, en détaillant les modules et les conditions.
2. Résultats des Tests : Documentez les tests effectués, en expliquant les éventuels ajustements réalisés.
3. Problèmes Rencontrés et Solutions : Décrivez les défis rencontrés lors de la programmation et comment ils ont été résolus.
4. Propositions d’Amélioration : Suggérez des améliorations possibles, comme l’ajout d’une interface de supervision pour surveiller les niveaux et l’état du processus.

Critères d’Évaluation

• Conception de la Logique de Contrôle (40%) : Exactitude et efficacité du programme ladder.
• Fonctionnement du Système (30%) : Bon déroulement des étapes, sécurité et respect des proportions.
• Qualité du Rapport (20%) : Clarté, rigueur et explications techniques détaillées.
• Propositions d’Amélioration (10%) : Créativité et pertinence des suggestions d’amélioration.

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