TP langage ladder : Contrôle d’un système de tri automatique avec un API

Voici un exemple de Travail Pratique (TP) destiné aux étudiants de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) dans le cadre d’un cursus en Électronique et Technologies de Fabrication (ETF). Ce TP est conçu pour initier les étudiants à la programmation des automates programmables industriels (API/PLC) avec le langage ladder, en tenant compte des exigences pédagogiques et industrielles de l’EPFL.

TP : Contrôle d’un système de tri automatique avec un API en utilisant le langage ladder

Objectif du TP :

L’objectif de ce TP est de développer les compétences des étudiants en automatisation industrielle en utilisant des automates programmables (PLC) et le langage ladder. Ils devront programmer un système de tri automatique capable de détecter des objets et de les orienter vers des voies de sortie spécifiques selon leurs caractéristiques (taille, poids, couleur, etc.).

Contexte industriel :

Vous travaillez pour une entreprise de logistique automatisée qui gère des systèmes de tri de colis. Le système doit trier les colis en fonction de leurs caractéristiques. Un capteur détecte les objets arrivant sur un convoyeur, et en fonction de la valeur envoyée par le capteur, les colis sont redirigés vers l’une des trois sorties :

1. Sortie 1 : Petits colis.
2. Sortie 2 : Colis de taille moyenne.
3. Sortie 3 : Grands colis.

Compétences visées :

1. Maîtriser la programmation ladder pour contrôler des systèmes automatisés.
2. Savoir utiliser des capteurs et des actionneurs dans un environnement d’automatisation.
3. Comprendre l’utilisation des temporisateurs et compteurs dans le langage ladder.
4. Être capable de développer une logique de contrôle séquentiel adaptée à une tâche industrielle.

Matériel requis :

• Automate programmable industriel (PLC) ou simulateur de PLC (ex. : TIA Portal, Codesys, Logix Designer).
• Capteur de taille (ou simulateur de capteurs).
• Actionneurs (ou sorties simulées) pour les trieurs des Sorties 1, 2 et 3.
• Ordinateur avec un logiciel de programmation ladder.
• Convoyeur simulé ou réel (optionnel).

Étapes du TP

Étape 1 : Analyse et description du système

Les colis sont transportés sur un convoyeur et passent devant un capteur qui mesure leur taille. Vous devez créer un programme qui, en fonction de la taille mesurée, dirige les colis vers une des trois sorties. Voici les entrées et sorties nécessaires :

Entrées :

• Capteur de taille (SENSOR_SIZE) – analogique (mesure la taille).
• Bouton de démarrage (START_BUTTON) – NO.
• Bouton d’arrêt d’urgence (EMERGENCY_STOP) – NO.

Sorties :

• Sortie 1 (SORT_1) – Petits colis.
• Sortie 2 (SORT_2) – Colis de taille moyenne.
• Sortie 3 (SORT_3) – Grands colis.

Étape 2 : Définir la logique de contrôle

Vous devez définir la logique de tri des colis en fonction des valeurs du capteur de taille :

• Petits colis : Si la taille est inférieure à 30 cm, diriger vers la Sortie 1.
• Colis moyens : Si la taille est comprise entre 30 et 60 cm, diriger vers la Sortie 2.
• Grands colis : Si la taille est supérieure à 60 cm, diriger vers la Sortie 3.

Conditions supplémentaires :

• Le système doit commencer à fonctionner seulement lorsque le bouton START_BUTTON est pressé.
• Le système doit pouvoir être arrêté à tout moment en pressant EMERGENCY_STOP.
• Le convoyeur doit se remettre à zéro lorsque l’arrêt d’urgence est levé et que START_BUTTON est appuyé à nouveau.

Étape 3 : Programmation ladder

Créez la logique de programmation pour effectuer les tâches décrites. Voici un exemple de la structure du programme ladder :

Démarrage et arrêt d’urgence :

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

Tri des colis en fonction de la taille :

|----[ SYSTEM_START ]----[ SENSOR_SIZE < 30 ]------( SORT_1 )---------|  → Petits colis.
|----[ SYSTEM_START ]----[ SENSOR_SIZE >= 30 ]----[ SENSOR_SIZE <= 60 ]----( SORT_2 )----|  → Colis moyens.
|----[ SYSTEM_START ]----[ SENSOR_SIZE > 60 ]------( SORT_3 )---------|  → Grands colis.

• Explication :
• Lorsque SYSTEM_START est activé par START_BUTTON et qu’aucune condition d’arrêt n’est présente (EMERGENCY_STOP inactif), le programme analyse la taille des colis.
• Selon la valeur de SENSOR_SIZE, il active l’une des sorties (SORT_1, SORT_2, ou SORT_3), ce qui dirige le colis vers la sortie appropriée.

Étape 4 : Simulation et tests

Une fois le programme écrit, utilisez un simulateur PLC (ou un automate physique) pour vérifier la fonctionnalité :

1. Test 1 : Vérifiez que les petits colis (taille < 30 cm) sont redirigés vers la Sortie 1.
2. Test 2 : Vérifiez que les colis moyens (30 cm ≤ taille ≤ 60 cm) sont redirigés vers la Sortie 2.
3. Test 3 : Vérifiez que les grands colis (taille > 60 cm) sont redirigés vers la Sortie 3.
4. Test 4 : Appuyez sur le bouton d’arrêt d’urgence et vérifiez que le système s’arrête immédiatement. Relancez le système après l’arrêt d’urgence.
5. Test 5 : Assurez-vous que le système ne démarre pas tant que START_BUTTON n’est pas pressé.

Étape 5 : Rapport

À la fin du TP, chaque étudiant devra soumettre un rapport contenant :

1. Schéma ladder final : Incluant tous les éléments et explications des logiques programmées.
2. Résultats des tests : Décrivez les résultats des différents tests et si les attentes ont été respectées.
3. Problèmes rencontrés et solutions : Décrivez les éventuels problèmes rencontrés durant la programmation et la manière dont ils ont été résolus.
4. Améliorations possibles : Suggestions pour améliorer ou étendre le système (exemple : ajout de la détection de poids ou d’autres critères de tri).

Étape 6 : Extension Possible du TP (Optionnelle)

Pour les étudiants plus avancés, ce TP peut être étendu pour intégrer des fonctionnalités supplémentaires qui approfondiront les compétences en programmation ladder et en conception de systèmes automatisés.

Idées d’Extension :

1. Ajout de la Détection de Poids des Colis :

• En plus de la taille, un capteur de poids (WEIGHT_SENSOR) peut être ajouté pour diriger les colis vers des sorties spécifiques en fonction du poids.
• Logique supplémentaire :
  • Les colis légers (< 5 kg) vont vers Sortie 1.
  • Les colis moyens (5 kg – 20 kg) vont vers Sortie 2.
  • Les colis lourds (> 20 kg) vont vers Sortie 3.
• Programmation :
  • Intégrez une condition supplémentaire dans chaque ligne de tri pour gérer le poids en parallèle avec la taille.

1. Contrôle de Flux avec Temporisation entre Chaque Colis :

• Pour éviter la surcharge du convoyeur, ajoutez un temporisateur (TIMER_DELAY) pour insérer un délai entre chaque tri.
• Logique :
  • Le système ne traite pas de nouveau colis tant que le temporisateur n’a pas atteint une certaine durée, simulant ainsi le passage du colis précédent.
• Programmation :
  • Ajoutez une logique de temporisation à la fin de chaque échelon de tri, permettant au temporisateur de se réinitialiser entre chaque cycle.

1. Gestion des Colis Défectueux :

• Créez une condition pour diriger les colis défectueux (ceux qui ne passent aucun des critères de tri) vers une Sortie de Rejet (REJECT).
• Programmation :
  • Ajoutez une condition de défaut où si aucun critère n’est rempli, la sortie de rejet est activée, et le colis est mis de côté pour inspection.

Étape 7 : Tests Supplémentaires pour les Extensions

Si une ou plusieurs extensions ont été implémentées, des tests supplémentaires seront nécessaires pour garantir le bon fonctionnement du système :

1. Test 6 : Vérifiez que les colis légers, moyens et lourds sont triés correctement en fonction de leur poids.
2. Test 7 : Assurez-vous que le temporisateur entre les colis fonctionne correctement et qu’il y a un délai entre chaque colis trié.
3. Test 8 : Vérifiez que les colis défectueux, qui ne remplissent aucun critère de tri, sont dirigés vers la Sortie de Rejet.
4. Test 9 : Contrôlez la fonctionnalité combinée de tri par taille et poids pour garantir que les deux critères fonctionnent de manière indépendante et simultanée.

Étape 8 : Rapport Final Étendu

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

1. Description des Extensions Implémentées :

• Présentez chaque fonctionnalité ajoutée, avec des schémas ladder et explications.

1. Résultats des Tests Supplémentaires :

• Documentez les résultats des tests des fonctionnalités étendues.

1. Propositions d’Amélioration :

• Réfléchissez aux améliorations possibles pour une version industrielle avancée du système de tri (ex. : tri en fonction de plusieurs caractéristiques, ajout de systèmes de détection d’anomalies, etc.).

Barème de Notation (Extensions Incluses) :

• Conception et Programmation des Extensions (20%) : Cohérence, efficacité et fonctionnalité des ajouts.
• Tests et Débogage des Extensions (15%) : Capacité à identifier et corriger les problèmes liés aux fonctionnalités étendues.
• Présentation du Rapport Étendu (15%) : Qualité et détail des descriptions et résultats des nouvelles fonctionnalités.

Conclusion du TP avec Extensions

Ce TP étendu fournit aux étudiants une opportunité d’explorer la complexité de la programmation des automates programmables industriels dans un contexte pratique et réaliste. Les extensions apportent des compétences supplémentaires en conception de système modulaire, en gestion de flux complexe, et en résolution de problèmes. Grâce à ces ajouts, les étudiants acquièrent une expérience approfondie en programmation ladder et se familiarisent davantage avec les exigences des applications industrielles automatisées modernes.

Barème de notation :

• Conception du programme ladder (30%) : Structure et logique correcte du programme ladder.
• Fonctionnement du système (40%) : Capacité du système à trier correctement les colis, gestion de l’arrêt d’urgence et des redémarrages.
• Qualité du rapport (20%) : Clarté et exhaustivité du rapport final, explications techniques fournies.
• Innovation et amélioration (10%) : Suggestions d’améliorations et créativité.

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