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

Ce cours couvre la mise en œuvre d’un processus automatisé de mélange et de transfert de liquides avec des automates programmables industriels (API) en utilisant le langage ladder. Ce type de système est couramment utilisé dans les industries chimiques et agroalimentaires.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre la structure d’un programme ladder pour le contrôle d’un système de mélange et de transfert.
Savoir utiliser des capteurs de niveau, des pompes, et un agitateur dans un environnement de production.
Appliquer des notions de sécurité et d’arrêt d’urgence dans un processus industriel automatisé.

1. Introduction à l’Automatisation Industrielle avec API

Les automates programmables industriels (API) sont utilisés pour contrôler les processus dans les usines. Ils permettent de gérer des entrées/sorties (capteurs et actionneurs) et d’assurer une exécution précise et sécurisée des tâches en séquence.

Le langage ladder est l’un des langages de programmation d’automates les plus courants. Inspiré des schémas de relais électriques, il est basé sur des contacts et des bobines, permettant une lecture intuitive des opérations de contrôle.

2. Architecture d’un Système de Mélange Automatisé

Schéma de l’Architecture du Système :

Cuve de mélange :

Capteurs de niveau (haut et bas) pour déterminer si la cuve est pleine ou vide.

Pompes :

Pompe A pour le liquide 1 et Pompe B pour le liquide 2, chacune contrôlée indépendamment.

Agitateur :

Mélange le contenu de la cuve pendant un temps donné.

Pompe de transfert :

Transfère le mélange final vers une cuve de stockage.

Fonctionnalités de Sécurité :

Un bouton d’arrêt d’urgence pour arrêter immédiatement toutes les opérations.
Un interlock de sécurité qui vérifie que la cuve est prête avant le démarrage des pompes et de l’agitateur.

3. Structure du Programme Ladder

Le programme ladder est structuré en trois étapes principales :

Étape 1 : Remplissage de la Cuve

|----[ START_BUTTON ]----[ LEVEL_LOW ]----( PUMP_A_ON )----|
|----[ TIMER_A, 60% ]---------------------( PUMP_B_ON )----|
|----[ LEVEL_HIGH ]-----------------------( STOP_PUMPS )---|

PUMP_A_ON : La pompe A démarre si le bouton de démarrage est pressé et que le niveau est bas.
TIMER_A : Lorsque 60 % de remplissage est atteint, la pompe A s’arrête et la pompe B démarre.
LEVEL_HIGH : Les deux pompes s’arrêtent lorsque le capteur de niveau haut détecte que la cuve est pleine.

Étape 2 : Mélange

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

MIXER_ON : Démarre l’agitateur si le niveau de la cuve est au maximum.
MIX_TIMER : Après 15 secondes, l’agitateur s’arrête.

Étape 3 : Transfert vers la Cuve de Stockage

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

PUMP_TRANSFER_ON : La pompe de transfert s’active une fois le mélange terminé.
LEVEL_LOW : La pompe de transfert s’arrête quand la cuve est vide.

4. Exemple de Code et Schémas Illustratifs

Voici des schémas illustrant le processus ladder pour chaque étape.

Schéma de la Logique de Remplissage

Le bouton de démarrage et le capteur de niveau bas activent la pompe A.
À 60 % du remplissage, la pompe A s’arrête et la pompe B démarre.
Le capteur de niveau haut arrête toutes les pompes.

[ START_BUTTON ] --> [ LEVEL_LOW ] --> [ PUMP_A_ON ]
      |
      --> [ TIMER_A (60%) ] --> [ PUMP_B_ON ]
      |
      --> [ LEVEL_HIGH ] --> [ STOP_PUMPS ]

Schéma de la Logique de Mélange

Le capteur de niveau haut active l’agitateur.
Après 15 secondes, l’agitateur s’arrête.

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

Schéma de la Logique de Transfert

Après le mélange, la pompe de transfert s’active.
Le capteur de niveau bas désactive la pompe de transfert.

[ MIX_TIMER_DONE ] --> [ PUMP_TRANSFER_ON ]
      |
      --> [ LEVEL_LOW ] --> [ PUMP_TRANSFER_OFF ]

5. Simulation et Validation du Processus

Objectif : Utiliser un simulateur de PLC pour valider chaque étape du programme.
Étapes :

Remplissage : Vérifiez que les proportions de remplissage de la cuve sont correctes (60 % pour le liquide A, 40 % pour le liquide B).
Mélange : Confirmez que l’agitateur fonctionne exactement 15 secondes.
Transfert : Assurez-vous que la cuve est vidée à la fin du transfert.
Sécurité : Testez le bouton d’arrêt d’urgence pour vérifier l’interruption immédiate de toutes les opérations.

6. Exercice Pratique

Les étudiants doivent implémenter et tester le programme en suivant ces étapes :

Configurer les Entrées et Sorties : Associez les entrées et sorties physiques aux symboles utilisés dans le programme ladder.
Programmer les Étapes : Remplissage, mélange et transfert.
Test et Validation : Exécutez chaque étape du processus en respectant les conditions de sécurité.

Consignes de Rapport :

Description des Étapes : Expliquez chaque section du programme ladder.
Analyse des Tests : Notez les résultats des tests et les ajustements éventuels.
Améliorations : Proposez des améliorations potentielles pour le système.

Barème d’Évaluation :

Programmation Ladder (40 %)
Fonctionnement et Tests (40 %)
Rapport (20 %)

Ce cours permet aux étudiants de se familiariser avec la programmation ladder et le contrôle de processus automatisé.

Voici une série d’exercices corrigés sur le contrôle d’un système de mélange et de transfert de liquides en utilisant le langage ladder. Ces exercices visent à renforcer la compréhension des concepts vus en cours et à développer la capacité des étudiants à structurer et programmer un système automatisé.

Exercice 1 : Contrôle de Remplissage avec Deux Pompes

Objectif : Programmer un système de remplissage de cuve avec deux pompes, respectant une proportion de 60 % pour la Pompe A (liquide A) et 40 % pour la Pompe B (liquide B).

Éléments du Système :

Bouton de démarrage : START_BUTTON (NO).
Capteur de niveau haut : LEVEL_HIGH (NO).
Pompe A : PUMP_A.
Pompe B : PUMP_B.

Solution :

Logique de Remplissage :

PUMP_A démarre lorsque le bouton START_BUTTON est appuyé.
PUMP_A s’arrête après avoir rempli 60 % du volume total (simulé par un temporisateur TIMER_A).
PUMP_B démarre pour compléter le remplissage et s’arrête lorsque le niveau haut (LEVEL_HIGH) est atteint.

Programme Ladder :

|----[ START_BUTTON ]----[ LEVEL_HIGH = 0 ]----( PUMP_A )----------------|
|----[ TIMER_A DONE ]-------------------------( PUMP_B )-----------------|
|----[ LEVEL_HIGH ]--------------------------( STOP_PUMPS )-------------|

Explication :
Lorsque START_BUTTON est activé, PUMP_A fonctionne jusqu’à ce que TIMER_A indique que 60 % est atteint.
TIMER_A DONE active ensuite PUMP_B pour remplir le reste jusqu’à LEVEL_HIGH.
Lorsque le niveau est atteint, STOP_PUMPS arrête les deux pompes.

Exercice 2 : Contrôle de l’Agitateur avec Temporisation

Objectif : Activer l’agitateur pendant 15 secondes après que la cuve est pleine, puis arrêter automatiquement.

Éléments du Système :

Capteur de niveau haut : LEVEL_HIGH.
Agitateur : MIXER.
Temporisateur : MIX_TIMER (15 secondes).

Solution :

Logique de Mélange :

L’agitateur démarre lorsque le capteur LEVEL_HIGH est activé.
MIXER fonctionne pendant 15 secondes, puis s’arrête automatiquement.

Programme Ladder :

|----[ LEVEL_HIGH ]-------------------[ MIX_TIMER, 15s ]----( MIXER )----|
|----[ MIX_TIMER DONE ]-------------------------------( MIXER_OFF )------|

Explication :
Lorsque LEVEL_HIGH détecte que la cuve est pleine, MIXER se met en marche pour une durée contrôlée par MIX_TIMER.
Une fois les 15 secondes écoulées, MIXER_OFF désactive l’agitateur.

Exercice 3 : Transfert du Mélange vers la Cuve de Stockage

Objectif : Activer une pompe de transfert pour vider la cuve de mélange dans une cuve de stockage une fois le mélange terminé.

Éléments du Système :

Capteur de niveau haut : LEVEL_HIGH.
Capteur de niveau bas : LEVEL_LOW.
Pompe de transfert : PUMP_TRANSFER.

Solution :

Logique de Transfert :

PUMP_TRANSFER démarre lorsque le mélange est terminé et le niveau de la cuve est haut (LEVEL_HIGH).
PUMP_TRANSFER s’arrête lorsque le niveau bas (LEVEL_LOW) est atteint, indiquant que la cuve est vide.

Programme Ladder :

|----[ MIX_TIMER DONE ]----[ LEVEL_HIGH ]----( PUMP_TRANSFER )---|
|----[ LEVEL_LOW ]---------------------------( PUMP_OFF )-------|

Explication :
Une fois le mélange terminé (MIX_TIMER DONE) et LEVEL_HIGH activé, PUMP_TRANSFER se met en marche pour vider la cuve.
Lorsque le capteur de niveau bas LEVEL_LOW détecte une cuve vide, PUMP_OFF désactive la pompe de transfert.

Exercice 4 : Sécurité et Arrêt d’Urgence

Objectif : Intégrer un bouton d’arrêt d’urgence qui interrompt toutes les opérations immédiatement.

Éléments du Système :

Bouton d’arrêt d’urgence : EMERGENCY_STOP (NO).
Toutes les sorties : STOP_ALL (désactive les pompes et l’agitateur).

Solution :

Logique de Sécurité :

Lorsque EMERGENCY_STOP est activé, toutes les opérations s’arrêtent.

Programme Ladder :

|----[ EMERGENCY_STOP ]------------------( STOP_ALL )-------------|

Explication :
Si EMERGENCY_STOP est activé, STOP_ALL désactive immédiatement toutes les sorties pour arrêter les pompes et l’agitateur.

Exercice 5 : Intégration Complète du Système

Objectif : Créer un programme ladder complet intégrant les étapes de remplissage, mélange, transfert, et sécurité.

Éléments du Système Complet :

Bouton de démarrage : START_BUTTON.
Bouton d’arrêt d’urgence : EMERGENCY_STOP.
Capteurs de niveau : LEVEL_LOW, LEVEL_HIGH.
Pompes : PUMP_A, PUMP_B, PUMP_TRANSFER.
Agitateur : MIXER.
Temporisateurs : TIMER_A (60 %), MIX_TIMER (15 s).

Solution Complète :

Programme Ladder Complet :

|----[ START_BUTTON ]----[ LEVEL_LOW ]-------------------( PUMP_A )----------------|
|----[ TIMER_A DONE ]------------------------------------( PUMP_B )----------------|
|----[ LEVEL_HIGH ]--------------------------------------( STOP_PUMPS )------------|
|----[ LEVEL_HIGH ]------------------[ MIX_TIMER, 15s ]--( MIXER )-----------------|
|----[ MIX_TIMER DONE ]----[ LEVEL_HIGH ]----------------( PUMP_TRANSFER )---------|
|----[ LEVEL_LOW ]---------------------------------------( STOP_ALL_PUMPS )--------|
|----[ EMERGENCY_STOP ]----------------------------------( STOP_ALL )--------------|

Explication :
Remplissage : PUMP_A commence le remplissage jusqu’à ce que TIMER_A atteigne 60 %, puis PUMP_B complète jusqu’à LEVEL_HIGH.
Mélange : L’agitateur (MIXER) s’active pour 15 secondes dès que la cuve est pleine.
Transfert : La pompe de transfert (PUMP_TRANSFER) commence après le mélange et s’arrête lorsque la cuve est vide (LEVEL_LOW).
Sécurité : EMERGENCY_STOP arrête immédiatement toutes les sorties.

Exercice 6 : Supervision et Compteur de Cycles

Objectif : Compter le nombre de cycles de production et afficher l’état du système sur une interface de supervision.

Éléments du Système :

Capteur de cycle terminé : CYCLE_COMPLETE.
Compteur de cycles : CYCLE_COUNTER.
Affichage des états : STATUS_DISPLAY.

Solution :

Logique du Compteur de Cycles :

CYCLE_COUNTER s’incrémente chaque fois que le cycle de mélange et transfert est complété.

Affichage d’États :

STATUS_DISPLAY indique l’état actuel du système : Remplissage, Mélange, Transfert, ou Prêt.

Programme Ladder :

|----[ CYCLE_COMPLETE ]----------------[ CTU, CYCLE_COUNTER ]-------------|
|----[ REMPLISSAGE ]-------------------( STATUS_DISPLAY: REMPLISSAGE )----|
|----[ MELANGE ]-----------------------( STATUS_DISPLAY: MELANGE )--------|
|----[ TRANSFERT ]---------------------( STATUS_DISPLAY: TRANSFERT )------|
|----[ PRÊT ]--------------------------( STATUS_DISPLAY: PRÊT )-----------|

Explication :
CYCLE_COUNTER s’incrémente à la fin de chaque cycle complet.
STATUS_DISPLAY affiche l’étape actuelle du processus, permettant une surveillance en temps réel du système.

Ces exercices corrigés permettent aux étudiants de pratiquer les étapes de programmation ladder pour un système de contrôle de mélange et de transfert, tout en appliquant des notions de sécurité, de temporisation, et de supervision industrielle. Ils servent aussi de base pour développer des compétences en conception de systèmes automatisés dans un environnement de production.