Chapitre 12 · Sujet 2 sur 4
Modules logiques et automates
Remplacer le câblage à relais par un programme : entrées, sorties, signaux analogiques, alimentation et limites de sécurité des modules logiques et des automates.
Niveau 1
L'essentiel
- Un module logique ou un automate lit des entrées (boutons, capteurs), exécute un programme et commande des sorties (relais, contacteurs, voyants).
- Les modules logiques conviennent aux petites fonctions ; les automates aux installations plus grandes et communicantes.
- Une entrée « tout ou rien » ne connaît que deux états ; une entrée analogique mesure une valeur (température, pression, CO).
- Les sorties d'un automate commandent des bobines de contacteurs ou des relais d'interface, pas directement les gros récepteurs.
- Un arrêt d'urgence ne doit jamais dépendre uniquement du programme.
Comprendre
Du relais au programme
Autrefois, une minuterie d'escalier, un délestage ou une commande de pompes en alternance se réalisaient avec des relais, des temporisations et beaucoup de fils. Aujourd'hui, un module logique fait la même chose avec un programme. Pour modifier le fonctionnement, on change le programme, pas le câblage.
Entrées et sorties
- Entrées tout ou rien : bouton-poussoir, contact de fin de course, contact de défaut d'un disjoncteur moteur. Elles sont souvent en 24 V continu, parfois en 230 V alternatif : vérifiez sur l'appareil avant de câbler.
- Entrées analogiques : un capteur envoie un signal proportionnel à la mesure, en 0–10 V ou en 4–20 mA.
- Sorties à relais : un contact libre de potentiel, qui peut commuter du 230 V ou du 24 V, dans la limite de son calibre.
- Sorties à transistor : uniquement en courant continu, rapides, sans usure mécanique.
Les langages
On programme en schéma à contacts (ladder), qui ressemble à un schéma électrique, ou en blocs logiques (ET, OU, temporisation, compteur). Les automates offrent aussi un texte structuré proche d'un langage informatique.
La sécurité d'abord
Un programme peut planter, une sortie peut rester collée. C'est pourquoi l'arrêt d'urgence d'une machine coupe l'énergie par un circuit câblé (souvent un relais de sécurité), indépendant de l'automate. Le programme est seulement informé que l'arrêt d'urgence a été actionné. Pour les moteurs, la protection reste assurée par le disjoncteur moteur ou le relais thermique (voir Protéger un moteur).
Sur le terrain
Dans un immeuble à Saint-Gilles, deux pompes de relevage doivent fonctionner en alternance, avec démarrage de la seconde si le niveau continue à monter. Vous câblez sur un module logique les flotteurs (entrées), les contacts de défaut des disjoncteurs moteurs (entrées) et les bobines des deux contacteurs (sorties à relais). Le programme alterne les pompes à chaque cycle et allume un voyant « défaut » si une pompe déclenche. Vous repérez chaque fil selon le schéma et vous joignez une copie imprimée du programme au dossier du tableau (voir Repérage, étiquetage et schémas du tableau).
Erreurs fréquentes
- Câbler du 230 V sur une entrée prévue pour du 24 V continu.
- Commander directement un moteur par une sortie à relais de l'automate.
- Faire passer l'arrêt d'urgence uniquement par une entrée de l'automate.
- Oublier de sauvegarder et de remettre au client le programme final.
- Inverser les polarités d'un capteur 4–20 mA à deux fils.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Un automate fonctionne par cycles : lecture des entrées, exécution du programme, écriture des sorties ; le temps de cycle conditionne la réactivité.
- La norme IEC 61131-3 définit les langages : schéma à contacts (LD), blocs fonctionnels (FBD), texte structuré (ST), diagramme fonctionnel séquentiel (SFC).
- Le choix PNP / NPN des capteurs et relais / transistor des sorties dépend de la charge, de la fréquence de commutation et de la logique de l'automate.
- Le 4–20 mA est préféré au 0–10 V sur les longues distances et permet de détecter une coupure de ligne.
- Les fonctions de sécurité machines relèvent de l'EN 60204-1 et de l'EN ISO 13849-1, et se réalisent avec des composants de sécurité, pas avec un automate standard.
Approfondir
Le cycle automate
À chaque cycle, l'automate copie l'état des entrées dans une mémoire image, exécute le programme sur cette image, puis met à jour les sorties. Un signal plus court qu'un cycle peut être manqué : pour un compteur d'impulsions rapide (compteur d'énergie à sortie impulsionnelle, codeur), on utilise une entrée de comptage rapide ou une interruption.
Capteurs et sorties
Un capteur PNP fournit le + 24 V à l'entrée quand il est actif ; un capteur NPN relie l'entrée au 0 V. L'entrée de l'automate doit être du type correspondant. Les sorties à relais acceptent l'alternatif et le continu, mais leur durée de vie électrique diminue fortement avec le courant coupé, surtout sur charge inductive ; pour des commutations fréquentes, on passe par une sortie à transistor et un relais statique ou un relais d'interface. Sur une bobine en courant continu, une diode de roue libre limite la surtension à l'ouverture ; en alternatif, on utilise un circuit RC ou une varistance.
Signaux analogiques
| Signal | Avantages | Limites |
|---|---|---|
| 0–10 V | simple, peu coûteux | sensible à la chute de tension et aux perturbations sur longue distance |
| 4–20 mA | insensible à la résistance de ligne dans la plage admise ; une valeur nettement sous 4 mA signale une coupure | nécessite une boucle alimentée ; résistance de charge limitée |
La mise à l'échelle linéaire s'écrit, pour un capteur 4–20 mA de plage Min–Max : Valeur = Min + (I − 4) / 16 × (Max − Min).
Communication
Les automates communiquent avec les variateurs (voir Les variateurs de fréquence), les compteurs et la supervision par des bus de terrain ou par Ethernet, notamment en Modbus (voir Les bus : KNX, DALI, Modbus).
Sécurité fonctionnelle
L'EN 60204-1 impose que l'arrêt d'urgence agisse par des moyens fiables, et l'EN ISO 13849-1 détermine le niveau de performance requis selon le risque. Un automate standard n'est pas un composant de sécurité ; on utilise un relais de sécurité ou un automate de sécurité certifié. Le RGIE va dans le même sens pour la coupure électrique d'urgence (Livre 1, 5.3.3.1 c) : elle coupe le courant de pleine charge, y compris celui d'un moteur calé ; un contacteur commandé à distance s'ouvre par coupure de l'alimentation de sa bobine ; l'organe de commande est clairement identifié, de préférence rouge, et en règle générale verrouillable en position d'arrêt.
Exemple chiffré
Ventilation d'un parking couvert commandée par un automate. Un capteur de CO 4–20 mA mesure de 0 à 300 ppm. L'entrée analogique convertit 4–20 mA en une valeur numérique de 0 à 4 000 points. Seuils du cahier des charges (fictifs pour l'exemple) : démarrage en petite vitesse à 50 ppm, grande vitesse à 100 ppm, retour à l'arrêt sous 40 ppm (hystérésis).
1. Lecture : l'automate lit 2 800 points.
- Courant : I = 4 + 2 800 / 4 000 × 16 = 4 + 11,2 = 15,2 mA.
- Concentration : C = 0 + (15,2 − 4) / 16 × 300 = 11,2 / 16 × 300 = 210 ppm → grande vitesse.
2. Points correspondant au seuil de 50 ppm :
- I = 4 + 50 / 300 × 16 = 4 + 2,667 = 6,667 mA.
- Points = (6,667 − 4) / 16 × 4 000 ≈ 667 points.
3. Alimentation 24 V du coffret : automate 0,25 A ; 6 capteurs à 0,05 A = 0,3 A ; 4 relais d'interface à 0,02 A = 0,08 A ; écran opérateur 0,4 A. Total : 0,25 + 0,3 + 0,08 + 0,4 = 1,03 A. Avec 25 % de réserve : 1,03 × 1,25 ≈ 1,29 A. On choisit une alimentation 24 V de 2,5 A (60 W).
Erreurs fréquentes
- Utiliser une entrée standard pour compter des impulsions plus courtes que le temps de cycle.
- Mettre à l'échelle un signal 4–20 mA comme s'il commençait à 0 mA : toute la plage est faussée.
- Câbler un capteur PNP sur une entrée prévue pour du NPN.
- Laisser une bobine en courant continu sans diode de roue libre sur une sortie à transistor.
- Réaliser une fonction de sécurité avec un automate standard.