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Introduction
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Il s'agit de l'épisode inaugural d'une série de 8 épisodes.
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Cette série porte sur les contrôleurs logiques programmables, ou PLC, comme on les appelle couramment.
Qu'est-ce qu'un PLC, demandez-vous ?
En bref, c'est un dispositif de contrôle industriel programmable polyvalent.
Ils sont utilisés dans toute l'industrie, dans les usines, les services publics et partout où des machines industrielles doivent être contrôlées.
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Ils constituent un système entièrement intégré de matériel, de logiciel et d'environnement de développement, spécialement conçu pour l'équipement industriel automatique.
Il est probablement le plus facile de les décrire en donnant d'abord un peu de contexte historique sur ce qui les a précédés.
04 Les premiers jours de l'automatisation
Vous avez probablement entendu parler du métier à tisser Jacquard du début du XIXe siècle et de son utilisation de cartes perforées, étant l'une des technologies qui ont finalement conduit au calcul.
Cependant, pour nos fins ici, son importance est qu'il s'agissait d'une forme précoce de système de contrôle d'automatisation industrielle, puisqu'il contrôlait après tout une machine dans une usine.
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Pour d'autres types de machines, un moyen purement mécanique commun pour faire bouger les différentes parties d'une machine complexe de manière coordonnée était l'utilisation d'axes et de cames.
Une série de cames situées sur un axe ou un ensemble d'axes connectés par des engrenages, pouvait déplacer des parties d'une machine, ouvrir ou fermer des vannes, et coordonner en général les parties d'une machine.
Avec la propagation de l'utilisation de l'électricité dans les usines au début du XXe siècle, il était désormais possible d'utiliser la nouvelle technologie électrique pour effectuer des fonctions de contrôle et d'automatisation.
06 Le contexte de la logique des relais
Je devrai expliquer certains termes électromécaniques ici, car il est nécessaire de comprendre ces termes et les concepts qui les sous-tendent pour comprendre les PLC, car ces derniers sont une évolution de leurs prédécesseurs et utilisent les mêmes termes.
Ce qui a précédé les PLC, c'était ce qui était communément appelé "logique de relais".
Qu'est-ce qu'un relais ?
Un relais est un dispositif électromécanique qui répond et contrôle le flux de courant électrique.
Un relais possède une "bobine" qui, comme son nom l'implique, est une bobine de fil conducteur.
Lorsque vous activez la bobine, c'est-à-dire que vous y appliquez un courant électrique, elle forme un électroaimant.
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Cet électroaimant attire un aimant mobile.
L'aimant mobile est une pièce métallique qui est attirée par la bobine lorsqu'elle est activée.
L'activation de la relais est appelée fermeture.
La désactivation est appelée ouverture.
Les noms alternatifs pour ces états sont "pulsions en" et "dépannage" respectivement.
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L'armature est attachée à un ou plusieurs contacts.
Vous pouvez considérer un contact comme étant comme un interrupteur.
Lorsque l'interrupteur est tourné dans un sens, le chemin électrique est fermé et le courant peut circuler.
Lorsque cela est tourné dans l'autre sens, le chemin électrique est rompu et le flux de courant est interrompu.
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Les contacts peuvent être normalement ouverts, dans ce cas le chemin est fermé et le courant peut circuler lorsque le relais s'allume.
Alternativement, elles peuvent être normalement fermées, cas où le chemin est fermé et le courant peut circuler lorsque le relais est éteint.
Un relais peut, et généralement le fait, avoir plusieurs contacts, y compris à la fois normalement ouverts et normalement fermés.
N'oubliez pas ces termes : bobine, contact, normalement ouvert et normalement fermé.
Qu'est-ce qu'un relais à verrouillage ?
Il existe un type spécial de relais appelé relais à verrouillage.
Cela n'était utilisé que de manière occasionnelle dans les circuits de commande de relais, mais les concepts qui le sous-tendent deviendront plus importants lorsque nous parlerons des PLC réels.
Un relais à verrouillage possède deux bobines.
Une bobine est utilisée pour activer ou "mettre en état de marche" le relais.
L'autre enroulement est utilisé pour éteindre ou "réinitialiser" le relais.
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Le relais dispose soit d'un mécanisme de verrouillage mécanique soit d'un aimant qui sert à maintenir le relais dans la position (ou en d'autres termes, fermé) même si l'enroulement de commande est déconnecté.
Vous devez energiser l'enroulement de réinitialisation afin de réinitialiser ou "ouvrir" le relais.
Un relais à verrouillage fournit l'équivalent d'un "bit" de mémoire qui conserve son dernier état même si l'alimentation de la machine est coupée.
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Les relais à verrouillage ont été utilisés dans des applications où il était important que le circuit logique du relais se souvienne de son dernier état.
Bien qu'ils ne soient pas fréquemment utilisés dans les circuits de commande de relais en raison de leur coût et de leur complexité plus élevés, le concept devait être utilisé plus largement dans les programmes PLC lorsque des instructions de mise en place et de réinitialisation étaient fournies, qui effectuaient la fonction équivalente en logiciel sans les mêmes considérations de coût.
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Ainsi, les opérations de mise en place et de réinitialisation devaient être beaucoup plus fréquemment utilisées dans les programmes PLC qu'elles ne l'étaient lorsque c'étaient de vrais relais.
Ajoutez ces termes à votre liste de choses à retenir - verrouiller, déverrouiller, mettre en place et réinitialiser.
Qu'est-ce qu'un contacteur ?
Je vais mentionner un autre terme maintenant, au cas où il serait mentionné plus tard.
Il s'agit du "contacteur".
Un contacteur est essentiellement juste un relais de grande taille.
Il est généralement utilisé pour contrôler des charges électriques importantes, comme les moteurs et les chauffages.
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Les relais plus petits sont généralement appelés "relais", ou parfois "relais de commande".
Ils sont utilisés pour créer soit des circuits logiques, soit pour contrôler des charges électriques plus petites, comme les lumières ou les valves pneumatiques ou hydrauliques.
Cela peut sembler beaucoup de jargon, mais tenez bon, je vais faire des analogies avec les ordinateurs lorsque c'est approprié.
17 Dispositifs d'entrée et de sortie
Si vous voulez faire un travail utile, vous aurez besoin de certains I/O.
Les dispositifs d'entrée typiques incluent les suivants.
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Boutons de commande.
Ce sont des boutons qui sont pressés par l'opérateur pour commander la machine de faire quelque chose.
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Commutateurs sélecteurs.
Ce sont des interrupteurs qui sont généralement tournés pour allumer ou éteindre et maintenir leur position.
Ces dispositifs peuvent avoir plusieurs positions, chacune pouvant activer une entrée séparée.
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Des luminaires de pré-allumage. Ces derniers servent à fournir une rétroaction à l'opérateur.
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Interrupteurs de limite.
Il s'agit d'interrupteurs mécaniques dont les parties de la machine s'activent, plutôt que l'opérateur.
Cela peut être utilisé pour déterminer la position des différentes parties de la machine à tout moment donné.
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Capteurs de proximité.
Ces derniers sont essentiellement des interrupteurs de limite à état solide, plus fiables que les interrupteurs mécaniques car moins sujets à l'usure.
Ils sont souvent abrégés de manière informelle en "proxies".
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Valves solénoïdes.
Ce sont comme des relais, dans le sens où un bobine électromagnétique est activée.
Cependant, au lieu d'activer un autre contact électrique, elle active une vanne pneumatique ou hydraulique.
Cette vanne permet typiquement l'écoulement d'air ou de fluide hydraulique pour déplacer un piston à l'intérieur d'un cylindre, qui déplace ensuite une partie mécanique de la machine.
Une machine typique possède de nombreux capteurs de proximité et valves solénoïdes.
24 Logique de relais
Toutes ces entrées et sorties nécessitent un certain type de logique pour les coordonner.
C'est là que les relais de commande sont intervenus.
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Si avoir la sortie d'un appareil électrique capable de contrôler un autre appareil électrique ressemble un peu à un transistor, alors oui, les relais sont analogues aux transistors électroniques.
Cependant, bien que les transistors soient une invention du milieu du XXe siècle, les relais remontent au milieu du XIXe siècle.
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De la même manière que pour les transistors, il est possible de coder la logique dans un réseau de fils reliant les relais entre eux, avec des entrées provenant de commutateurs et d'autres dispositifs d'entrée.
En câblant des capteurs et des relais ensemble dans le bon ordre, il est possible de créer des séquences d'opérations raisonnablement complexes pour contrôler une machine de manière automatique.
27 Logique booléenne des relais
Câbler les contacts des relais en série crée des conditions "et".
Câbler eux en parallèle crée des conditions "ou".
Utiliser des contacts de relais normalement fermés crée des conditions "non".
En alimentant les contacts propres d'un relais dans le circuit menant à sa bobine, il est possible qu'un relais se souvienne de son propre état.
Chaque relais peut donc être considéré comme un élément de logique dans un circuit logique binaire.
28 Timers et Compteurs
Des relais de synchronisation spéciaux pouvaient être utilisés pour créer un délai temporel entre l'activation ou la désactivation du relais, et la fermeture ou l'ouverture des contacts.
Un relais de synchronisation qui impose un délai après son activation est un "timer de délai d'allumage".
Un relais de synchronisation qui impose un délai après sa désactivation est un "timer de délai d'extinction".
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Les relais de synchronisation étaient souvent pneumatiques.
Ils disposaient d'un petit piston en caoutchouc qui laissait lentement échapper de l'air à travers une ouverture ajustable.
Le piston empêcherait le relais d'ouvrir ou de fermer, selon le type, jusqu'à ce que suffisamment d'air ait fui pour qu'il se ferme ou s'ouvre.
Pour une plus grande précision ou pour des délais plus longs, des minuteurs à moteur peuvent être utilisés.
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Des relais-compteurs spéciaux peuvent être utilisés pour exiger une entrée pour allumer ou éteindre un nombre spécifié de fois avant d'activer les sorties du relais.
Les compteurs utilisaient typiquement un mécanisme à ratchet pour compter jusqu'à un niveau prédéfini avant d'activer.
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Les relais de temporisation et de comptage ultérieurs utilisaient des minuteurs et des compteurs électroniques, mais ceux-ci sont arrivés relativement tard, à une époque où la logique des relais était en déclin.
32 Panneaux électriques
Un grand nombre de relais seraient montés sur des panneaux dans de grandes enceintes électriques, avec les fils qui les relient, ainsi qu'aux interrupteurs de limite, valves et autres dispositifs montés sur la machine.
33 Conception du circuit logique
La logique ou le programme serait codé dans le choix des dispositifs et dans les fils qui les relient.
Pour concevoir et documenter cette logique, le concepteur créerait des dessins électriques.
Ces dessins suivraient l'un des deux styles différents.
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Dans un style, les deux fils électriques, soit chaud et neutre dans le cas d'une alimentation en courant alternatif, soit positif et négatif dans le cas d'une alimentation en courant continu, étaient dessinés comme des lignes verticales le long de chaque côté de la page du dessin.
Ces lignes verticales sont connues sous le nom de "railles".
Des fils seraient ensuite dessinés horizontalement à travers la page de gauche à droite, montrant les connexions entre les boutons-poussoirs, interrupteurs et contacts de relais jusqu'aux enroulements de relais ou lumières pilotes sur la droite.
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Les connexions physiques entre les enroulements de relais et les contacts de relais n'étaient généralement pas montrées sur les dessins, bien qu'elles puissent l'être dans le cas des boutons-poussoirs ou interrupteurs sélecteurs avec plusieurs contacts.
Au lieu de cela, on s'appuierait sur les étiquettes ou noms pour voir quels contacts étaient associés à quels enroulements de relais, interrupteurs limite, ou boutons-poussoirs.
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Il existe des conventions de dénomination standard pour les dispositifs dont je ne traiterai pas ici.
Cependant, cela signifie que les bobines de relais pourraient être sur une page du jeu de dessins, et les contacts pourraient être n'importe où ailleurs dans le jeu de dessins.
Il était de coutume d'écrire une référence croisée à côté de la bobine de relais pour lister où ses contacts sont utilisés dans le dessin.
37 Échelons de ladder
En termes pratiques, cela signifiait que le dessin logique avait tendance à prendre la forme de plusieurs ensembles horizontaux indépendants de câblages et de contacts ressemblant plutôt aux échelons d'une échelle.
Ainsi, ces dessins sont venus à être connus sous le nom de "diagrammes à échelle" ou "dessins à échelle".
Les éléments horizontaux étaient connus sous le nom d'"échelons".
38 Symboles standards
Chaque type de dispositif avait un symbole standard, de sorte que vous puissiez le voir d'un coup d'œil.
Par exemple, un bobine de relais était un cercle.
Un contact de relais normalement ouvert était deux lignes verticales courtes séparant une interruption dans le circuit électrique.
Un contact de relais normalement fermé était simplement un contact normalement ouvert avec une ligne diagonale dessinée dessus.
39 Flux de logique
Selon la convention, les dessins étaient lus du haut vers le bas, de gauche à droite.
Dans la pratique effective, les opérations pouvaient se produire en parallèle et il fallait faire attention à éviter d'introduire ce qu'on appelait une "course de relais", où le résultat d'une opération dépendait de laquelle des deux opérations parallèles était terminée en premier.
Une course de relais pouvait produire des résultats imprévisibles en fonction de l'ordre d'achèvement des opérations et devait donc être évitée.
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Les ingénieurs, techniciens et électriciens étaient tenus de devenir compétents dans la lecture et la compréhension de ces diagrammes en échelle pour concevoir et dépanner du matériel.
Pour quelqu'un qui avait de l'expérience dans le domaine, lire et comprendre ces diagrammes est devenu une seconde nature.
41 dessins DIN
J'ai mentionné qu'il y avait deux styles de dessins.
L'autre style est connu sous le nom de DIN, qui signifie Deutsches Institut fur Normung, ou Institut allemand de normalisation en anglais.
C'est essentiellement un diagramme d'échelle inversé, avec les rails s'étendant horizontalement de gauche à droite et les marches verticalement du haut vers le bas.
J'ai mentionné les dessins DIN ici pour complétude, mais même les pays qui utilisent encore les dessins DIN pour documenter le câblage utilisent des échelles verticales lorsque la logique d'échelle est passée à l'électronique.
42 Comparaison avec les portes logiques électroniques
Si vous êtes familier avec les portes logiques électroniques et, ou, NAND, et NOR, certaines des idées ci-dessus devraient vous paraître familières.
Certaines des notions sont effectivement analogues.
Cependant, ces conventions électromécaniques prédate l'existence de l'état solide.
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Les dessins suivent également des principes complètement différents.
Tandis que les dessins de portes logiques à état solide montrent des entrées et des sorties sur un seul dispositif regroupées en un seul bloc avec des interconnexions complexes, les dessins de schémas électriques séparent ces éléments, ce qui a plusieurs conséquences très significatives.
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Premièrement, cela simplifie grandement le dessin des interconnexions.
Deuxièmement, cela permet de regrouper les entrées et les sorties par fonction plutôt que par emballage physique.
Troisièmement, cela permet de répartir les dessins sur de nombreuses feuilles de taille standard plus petites, ce qui permet à son tour de visualiser une collection fonctionnelle de marches liées d'un seul regard.
Ces trois facteurs étaient de grande importance lorsque les relais physiques ont été remplacés par du logiciel.
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Les origines historiques et le développement de 45 ans
Origines
Personne ne semble savoir quand ou où la logique de relais industriels a été introduite pour la première fois.
Les meilleures suppositions semblent indiquer un moment après l'électrification généralisée des usines au début du 20e siècle.
L'automatisation à l'ère de la puissance vapeur semblait reposer principalement sur le profil de cames mécaniques montées sur des axes pour synchroniser les opérations de la machine.
La plupart des sources semblent assez confiantes que la logique de relais était largement répandue dans les années 1940 ou 1950.
46 État solide
L'introduction des transistors n'a pas immédiatement remplacé les relais pour des fins de contrôle.
Les relais avaient la capacité de gérer des quantités importantes de puissance directement, leur permettant d'interfacer avec les entrées et les sorties directement.
Les transistors auraient encore nécessité l'interposition de relais de toute façon, augmentant le nombre de composants et compliquant le système pour un bénéfice minime.
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Il y avait des modules de logique à état solide développés spécifiquement pour remplacer les relais dans la logique de contrôle, mais ceux-ci n'étaient pas largement utilisés.
Ces modules de logique à état solide nécessitaient encore des connexions câblées entre eux, limitant leurs avantages par rapport aux relais électromécaniques.
Un certain nombre de familles de relais de contrôle électromécaniques ont été développées par un certain nombre d'entreprises, et celles-ci avaient tendance à être très robustes et fiables, bien qu'un peu chères.
48 Conclusion
Dans cet épisode, j'ai couvert ce qui suit.
Qu'est-ce qu'un relais.
Dispositifs d'entrée et de sortie courants.
Comment les relais sont utilisés pour créer des systèmes de logique binaire.
Conception de systèmes de logique de relais et des schémas électriques utilisés pour les documenter.
Brève histoire des systèmes de logique de relais.
49 termes à retenir.
Voici quelques termes que vous pourriez vouloir retenir.
Contrôleur logique programmable, également connu sous le nom de "PLC".
Relais de contrôle
Bobines
Contacts
Normalement ouvert
Normalement fermé
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Verrou
Déverrouiller
Définir
Réinitialiser
51
Sur les temporisateurs de retard
Sur les temporisateurs de retard hors connexion
Les compteurs
Les boutons poussoirs
Les feux pilotes
Les interrupteurs de limite
Les interrupteurs de proximité, également connus sous le nom de "proxies"
Les diagrammes de ladder
Railons d'échelle
Échelons d'échelle
Le prochain épisode 52
Dans le prochain épisode, je vais discuter de ce qui suit
Les origines des PLC (contrôleurs logiques programmables)
Comment ils ont évolué à partir de la logique de relais
Comment et pourquoi les relais physiques et les câblages sont devenus des relais virtuels dans le logiciel
53
Pensez-vous que la programmation visuelle ou graphique est quelque chose de nouveau ?
Écoutez l'épisode suivant et découvrez que les gens le faisaient déjà dans les usines il y a un demi-siècle, à une époque où vous essayiez encore de faire fonctionner votre premier programme Fortran sur un mainframe.
54
Celui-ci est le premier épisode d'une série de huit épisodes.
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