Maîtriser l'art de la sélection des automates programmables : un guide pratique pour les ingénieurs en automatisation

Nous aborderons la manière de sélectionner les fabricants, de calculer les points d'E/S et de prendre des décisions optimales en fonction des exigences de communication et de la capacité de mémoire.

I. Sélection du fabricant : La logique derrière la marque

Déterminer le Automate programmable Le choix du fabricant est la première étape. Il ne s'agit pas seulement de notoriété de la marque ; il s'agit surtout de prendre en compte les habitudes des utilisateurs, les compétences de l'équipe de conception et le support technique après-vente.

En matière de fiabilité, la qualité du matériel n'est généralement pas un problème pour les grandes marques internationales. Cependant, il existe des différences importantes de conception selon les régions.

À mon avis, si vous contrôlez une machine autonome ou un système relativement simple, les marques japonaises d'automates programmables (comme Mitsubishi ou Omron) offrent un avantage considérable en termes de rapport coût-performance. Leurs jeux d'instructions sont généralement intuitifs et faciles à maîtriser.

À l'inverse, si votre projet concerne un système de contrôle distribué (DCS) à grande échelle avec des exigences extrêmement élevées en matière de communication réseau, les automates programmables européens et américains (tels que Siemens ou Rockwell Automation) sont supérieures. Leurs structures logiques sont mieux adaptées à la gestion des processus complexes et aux échanges massifs de données.

Pour vous donner une perspective plus claire, j'ai créé le tableau suivant comparant ces deux catégories principales :

De plus, pour certains secteurs industriels (comme la métallurgie ou le tabac), il convient de privilégier les systèmes PLC ayant déjà fait leurs preuves dans des applications spécifiques. Cela réduit considérablement le risque de défaillance lié à une incompatibilité environnementale.

II. Estimation précise des points d'entrée/sortie (E/S)

Le nombre d'entrées/sorties est le paramètre le plus fondamental d'un automate programmable. De nombreux débutants commettent des erreurs à ce niveau, soit en achetant trop peu et en risquant d'en manquer, soit en achetant trop et en gaspillant leur budget.

Le calcul doit se baser sur la somme de tous les points d'entrée et de sortie nécessaires au contrôle de l'équipement. Cependant, en pratique, on ne calcule jamais “ juste ce qu'il faut ”. Il faut prévoir une marge.

D'après mon expérience, la pratique courante est la suivante :

1. Recenser tous les points d'E/S câblés.
2. Ajouter un 10% à 20% marge d'expansion en plus de cette base.

III. Estimation scientifique de la capacité de mémoire

La capacité mémoire désigne la capacité de stockage fournie par le matériel de l'automate programmable. Il est nécessaire de s'assurer que cette capacité est supérieure à nos besoins actuels afin de permettre d'éventuelles modifications ou ajouts ultérieurs.

Je vais vous présenter une formule d'estimation couramment utilisée en ingénierie. Bien que les sources divergent, cette méthode est pratique et sûre :

1. Multipliez le nombre de points d'E/S numériques par 10 à 15.
2. Multipliez le nombre de points d'E/S analogiques par 100.
3. Additionnez ces deux résultats pour obtenir le nombre total de mots requis (en supposant des mots de 16 bits).
4. Enfin, ajoutez une marge de 25% à ce total.

Par exemple, certains modèles de la série Siemens S7-300 peuvent offrir 64 Ko ou 128 Ko de mémoire de travail ; vous devez choisir le processeur approprié en fonction de l'estimation ci-dessus.

IV. Fonctions de communication : les fondements de l'Internet industriel

Les automates programmables modernes ne sont plus des systèmes isolés. Leurs fonctions de communication sont de plus en plus puissantes et complexes. Lors de leur sélection, il est essentiel de définir la place de l'automate au sein de l'architecture réseau globale.

Les topologies de réseau courantes des systèmes PLC comprennent :

• Mode Maître PC : Un ordinateur fait office de station SCADA/de surveillance, gérant plusieurs automates programmables.
• Réseau multi-PLC : Un automate programmable fait office de maître, les autres d'esclaves.
• Intégration DCS : Le PLC fonctionne comme un sous-réseau de niveau inférieur connecté à un DCS à grande échelle.
• Réseaux propriétaires : Réseaux à protocole fermé spécifiques aux fabricants.

Pour éviter de surcharger le processeur, il est fortement recommandé d'utiliser des processeurs de communication (PC) indépendants, adaptés aux besoins réels. Par exemple, si d'importantes transmissions de données Ethernet sont nécessaires, il est préférable de ne pas laisser le processeur gérer directement tous les paquets de données ; l'installation d'un module de communication dédié peut améliorer considérablement la stabilité du système.

V. Choix du format : compact ou modulaire ?

Il s'agit du choix physique le plus visible lors de la sélection.

• Automate programmable compact (monolithique) :
  • Points d'E/S fixes, faible encombrement, faible coût. Généralement utilisé pour les petits systèmes de contrôle.
  • Répétitions typiques : Siemens S7-200 SMART, Mitsubishi FX Series, Omron CP Series.
• Automate programmable modulaire :
  • À l'instar des modules de construction, l'alimentation, le processeur et les modules d'E/S peuvent être sélectionnés indépendamment et connectés à un fond de panier ou à un rack. Configuration extrêmement flexible, adaptée aux systèmes de moyenne et grande taille.
  • Répétitions typiques : Siemens S7-300/400/1500, Mitsubishi série Q.

VI. Conseils pour la sélection des modules d'E/S

Une fois le processeur et le rack sélectionnés, l'étape suivante consiste à choisir les modules d'E/S spécifiques. Il y a là d'importantes subtilités techniques.

1. Modules de sortie numérique

Pour les modules de sortie, vous avez généralement le choix entre trois options, chacune présentant des avantages et des inconvénients distincts :

• Sortie relais :
  • Avantages : Peu coûteux, large plage de tension (compatible AC/DC).
  • Inconvénients : Durée de vie courte, temps de réponse lent, inadapté aux commutations fréquentes.
• Sortie transistor :
  • Avantages : Réponse extrêmement rapide, longue durée de vie, convient à servo Contrôle du pouls.
  • Inconvénients : Capacité de surcharge faible, supporte généralement uniquement le courant continu.
• Sortie du triac (thyristor) :
  • Avantages : Réponse rapide, adaptée aux commutations fréquentes de charges inductives.
  • Inconvénients : Cher.

Mon conseil : Pour alimenter des charges à commutation peu fréquente, comme des électrovannes, la sortie relais est la plus économique. Pour la commande de moteurs pas à pas ou pour des commutations à haute fréquence, il faut sélectionner la sortie transistor.

2. Modules d'entrée/sortie analogiques

Pour les signaux analogiques, concentrez-vous sur le type de signal.

• Types d'entrée : Les signaux courants incluent le courant (4-20 mA) et la tension (0-10 V). Il existe également des modules de température spécialisés pour la connexion directe aux thermocouples ou aux RTD.
• Types de sortie : Également divisée en tension et courant, utilisée pour le contrôle Fréquence du variateur de fréquence ou la position de la vanne de régulation.

Lors du choix, veillez à la compatibilité des canaux. Les configurations courantes sont les modules à 2, 4 ou 8 canaux.

VII. N'oubliez pas les modules fonctionnels

La commande logique standard peut suffire pour les tâches de base, mais si votre équipement nécessite un positionnement précis ou un contrôle de la température, des modules de fonctions spécialisés sont indispensables.

• Modules de positionnement : Pour la commande de servomoteurs/moteurs pas à pas.
• Modules de comptage à haute vitesse : Pour connecter les encodeurs.
• Modules de contrôle PID : Pour le contrôle de processus en boucle fermée.

Lors de votre sélection, tenez compte non seulement de la compatibilité matérielle, mais aussi de la facilité de programmation logicielle. Par exemple, la série Mitsubishi FX permet la lecture/écriture de données de modules spécifiques via une interface simple. DEPUIS et À des instructions, ce qui témoigne de la facilité d'utilisation du logiciel.

VIII. Trois principes généraux de sélection

Enfin, une fois les modèles et spécifications précis déterminés provisoirement, vérifiez votre nomenclature (BOM) en fonction de ces trois principes :

1. Commodité Simplifiez la conception du circuit. Par exemple, privilégiez les modules de sortie capables de piloter directement les charges. Cela élimine le besoin de nombreux relais intermédiaires, ce qui permet de réaliser des économies et de réduire les risques de panne.
2. Universalité (Normalisation) Au sein d'une usine ou d'un projet, il est préférable de minimiser la variété des types de modules. Par exemple, si possible, utilisez exclusivement des modules à entrée 24 V CC plutôt que d'y intégrer des modules à entrée 220 V CA. Cela facilite l'approvisionnement en pièces détachées et permet au personnel de maintenance de mieux mémoriser le système.
3. Compatibilité Pour éviter des pannes de communication inexplicables, il est préférable de choisir des produits du même fabricant pour les principaux composants du système PLC. Bien que les protocoles modernes soient ouverts, la compatibilité entre appareils d'une même marque reste la plus fiable.