Une maquette de train pour des TP de GRAFCET

Une maquette de train pour des TP de GRAFCET
Aurika JANULYTE(1), Christian ROVETTA(2), Laurence CHERIGIER(2), André BOIS(1)
[email protected], [email protected], [email protected]
(1) Université de Provence, Filière Instrumentation et Capteurs, Centre de Saint Jérôme, Avenue EscadrilleNormandie-Niemen, 13397 Marseille Cedex 20 – France
(2) Université de Provence, Physique Expérimentale Premier Cycle, Case 1, 3 place Victor Hugo, 13331 Marseille Cedex 03 – France
RESUME : Nous proposons une maquette de trains électriques commandée par un automate programmable industriel
(API). L'automate est programmable par le langage GRAFCET ou LD (ladder). Cette maquette d'automatisme ludique
permet aux étudiants de mettre en application leurs connaissances de programmation, de mettre en œuvre des problématiques de programmation telles que synchronisation temporelle, temporisation etc. et d'expérimenter un système automatique.
Mots clés : maquette train, GRAFCET, automate programmable industriel.
1 INTRODUCTION
Dans l'enseignement du GRAFCET et du fonctionnement des automates programmables industriels,
l'une des grandes difficultés est de disposer d'une maquette qui permette de visualiser très facilement le bon
fonctionnement du programme qui a été réalisé par les
étudiants. Le plus souvent les maquettes utilisées sont
le feu rouge, l'ascenseur ou des maquettes faisant intervenir des vérins ou des moteurs pour essayer de simuler
des situations industrielles. Il faut remarquer que ces
maquettes sont souvent éloignées des conditions réelles
de fonctionnement. En effet, les ascenseurs et les feux
rouges, par exemple, sont gérés par des automates très
spécialisés, développés par les constructeurs de ces
systèmes, et jamais par des automates programmables
industriels (que nous désignerons par API par la suite)
qui sont pourtant plus répandus dans le monde industriel.
Nous avons réalisé une maquette que nous utilisons en travaux pratiques, basée sur des réseaux de
trains électriques miniatures. Cette maquette présente
les intérêts suivants :
• L'aspect ludique pour l'enseignement
• La visualisation immédiate du fonctionnement
du programme en GRAFCET de l'automate
• La réalisation, à partir d'un circuit donné, de
plusieurs enchaînements de séquences différentes de déplacement d'un ou plusieurs trains
sur le circuit, permettant de proposer des exercices de travaux pratiques variés aux étudiants.
• L'illustration aisée de tous les problèmes d'initialisation, et dans le cas du parallélisme, de synchronisation temporelle, de disponibilité d'une
partie ou de synchronisation de l'avancement
d'une séquence par rapport à l'autre.
Enfin, un avantage non négligeable est que le
coût d’une maquette « maison » est bien inférieur à
celui du matériel proposé par les fournisseurs de matériel de travaux pratiques.
La maquette de train est utilisée dans l'enseignement supérieur, par les étudiants de niveau Master
deuxième année. Le volume horaire de travaux pratique
avec la maquette train est de 20 heures. Nous envisageons également d’utiliser cette maquette dans le cadre
de manifestations de diffusion scientifique ou des salons et forums pour présenter les filières et les métiers
de l’Université.
2 PRINCIPE TECHNIQUE
Nous avons créé, à partir d’éléments de circuits
de trains électriques miniatures, une maquette regroupant trois circuits différents afin d’illustrer la diversité
des modes d’utilisation du réseau ferroviaire réel. Pour
simplifier, le principe de chacun des circuits est ici détaillé séparément. Le premier circuit montre une voie
unique simple, sachant que dans la réalité, celle-ci n’est
pas en boucle. Le second circuit permet le croisement
des trains en voie unique. Le troisième reprend les caractéristiques d’une voie de triage de wagons de fret.
2.1 Voie unique à cantonnement automatique
Ce premier circuit simule le déplacement de locomotives sur une voie unique à cantonnement automatique. Deux trains partant l’un derrière l’autre ne
doivent pas se rattraper. Pour ce faire, on insère un
espace de sécurité entre eux, appelé canton, comme
représenté sur la fig. 1.
Le sens de déplacement de la locomotive est
fonction de la polarité de l’alimentation du canton dasn
lequel elle se trouve. Dans notre cas, la voie circulaire
est donc divisée en six cantons qui sont actifs en fonction du déplacement attendu des locomotives qui sont
sur la voie.
train le moins prioritaire, à définir, ou le premier train
détecté dans le canton d’un aiguillage, est capté automatiquement et positionné en voie d’évitement pour
permettre ainsi à l’autre circulation de passer en voie
directe. Pendant le passage du train sur la voie directe,
le canton d’évitement n’est plus alimenté, le train est en
attente à l’arrêt. Il repart lorsque le train prioritaire est
passé.
fig 1 : Circuit 1, voie unique à cantonnement automatique
Le passage d’un train est détecté par des capteurs (ILS), représentés par des petits ronds sur les différents schémas de circuit. Ce sont des interrupteurs
sensibles au déplacement d’aimants collés sous les locomotives. Les ILS sont câblés directement à
l’automate. Nous utilisons des éclisses isolantes pour
séparer électriquement les cantons. Le symbole représentant une éclisse sur les schémas est un petit trait
vertical. Les cantons sont alimentés par l’intermédiaire
de relais commandés par l’automate. Quand un train est
détecté dans un canton, le canton libéré n’est plus alimenté, de façon à éventuellement arrêter le train suivant et ainsi laisser un canton d’écart entre les trains
par sécurité.
Pour résumer, dans ce circuit nous avons :
1 interrupteur 1 entrée API (initialisation)
6 ILS
6 entrées API
6 cantons
6 sorties API
2.2 Voie unique avec évitement
Sur ce circuit sont câblés :
1 interrupteur 1 entrée API
8 ILS
8 entrées API
8 cantons
8 sorties API
4 aiguillages 4 sorties API
2.3 Voie de triage
Le troisième circuit simule une voie de triage.
Le schéma de ce circuit est représenté sur la figure 3.
Les trains entiers de fret arrivent dans les triages, mais
la destination des wagons qui le composent est différente. Une gare de triage permet de séparer les wagons
d’un même train et de les placer sur des voies différentes en fonction de leur destination future. Quand les
opérations de tri sont terminées, de nouveaux trains
entiers sont ainsi reformés et peuvent repartir vers leurs
destinations finales.
Lorsque deux wagons viennent au contact, ils
s’accrochent mécaniquement de façon automatique.
Pour dételer les wagons, nous utilisons un système à
bobine magnétique. Il est actionné par l’intermédiaire
d’un relai qui envoie une tension alternative sur une
bobine. Celle-ci permet d’actionner un levier qui décroche les wagons.
Le second circuit, dont le schéma est représenté
fig.2, simule une voie unique avec évitement. Il s’agit
d’une voie auxiliaire par rapport à la voie principale
directe, desservie par un aiguillage et permettant le
croisement ou le dépassement des trains.
fig 3 : Circuit 3, voie de triage
fig 2 : Circuit 2, voie unique avec évitement
Deux trains qui circulent l’un vers l’autre ne
doivent pas se retrouver face à face, ils doivent pouvoir
se croiser. Dans ce but, quatre aiguillages à commande
électrique ont été placés de manière appropriée pour
permettre ce croisement, portant le nombre de cantons
à huit. Lorsque deux trains circulent en sens opposés, le
Sur ce circuit on retrouve :
1 interrupteur 1 entrée API
3 ILS
3 entrées API
2 cantons
2 sorties API
2 aiguillages 2 sorties API
4 dételages 4 sorties API
La maquette dont nous proposons de faire la
démonstration regroupe ces trois circuits. Elle a été
conçue pour permettre, grâce à un scénario imagé, de
voir le déplacement intelligent des trains. Elle est présentée sur la photo de la figure 4. Elle illustre les trois
principes du travail que l’étudiant doit réaliser lors des
séances de TP.
fig 4 : Photo de la maquette, vue de dessus : les rails et les dispositifs de gestion des trains.
fig 5 : Photo de la maquette, vue de dessous : le câblage et les circuits.
Les capteurs (interrupteurs et ILS) sont reliés directement aux entrées de l’A.P.I. par un câblage effectué sous la maquette dont la photo est montrée figure 5.
Chaque actionneur (sorties pour l’alimentation des cantons, les aiguillages, le dételage) est relié à un relai sur
un circuit imprimé qui également est placé sous la maquette. Ils sont commandés par l’API. Le programme
est écrit à l’aide d’un PC puis est chargé dans la mémoire de l’automate.
3 PRATIQUE PEDAGOGIQUE
Nous venons de montrer les nombreuses possibilités de fonctionnement des trains que permet cette
maquette. En pratique, cela donne plusieurs sujets de
travaux pratiques réalisés par des étudiants de master
professionnels « intitulé du master ». Ces TP font suite
à un cours d’initiation au GRAFCET.
3.1 Intérêt du langage GRAFCET et objectifs pédagogiques
L'automate peut-être programmé en deux langages : le langage graphique GRAFCET et le langage LD
(Ladder Diagram) appelé aussi schéma à contacts. Le
principal objectif pédagogique de la maquette proposée
est l’application pratique du langage GRAFCET
(GRAphe Fonctionnel de Commande Etape - Transition). En effet, ce langage est maintenant l’un des plus
répandu dans les milieux industriels pour la programmation de la commande de systèmes automatiques,
utilisant des machines-outils par exemple. Il s'agit d’un
langage graphique permettant la description fonctionnelle du comportement des systèmes logiques séquentiels. Il permet de gérer des processus simples et linéaires (séquence unique) comme des processus complexes
nécessitant le déroulement de séquences multiples simultanées ou exclusives.
Cette maquette permet de simuler le fonctionnement simplifié mais réel d’un réseau ferroviaire. Le
caractère ludique de ce TP permet de stimuler la motivation des étudiants. Même si le train électrique n’est
plus un jouet « à la mode », il garde une image attrayante et les étudiants se mettent en situation
d’assurer la sécurité du transport des personnes et des
marchandises sur le réseau miniature. Le langage choisi
permet de préparer les étudiants aux problèmes industriels qu’ils sont susceptibles de rencontrer dans leur
vie professionnelle. Les diverses possibilités de cette
maquette permettent aux étudiants d’apprendre à programmer des « branches » au fonctionnement simultané
et dépendant les unes des autres, ce qui est habituellement une difficulté conceptuelle importante. Le modèle
du train aide ainsi les étudiants à visualiser les actions à
effectuer.
3.2 Déroulement du TP et exemple
Dans un premier temps les étudiants doivent se
familiariser avec le matériel. Pour cela, il leur est demandé de mettre un train en circulation sur un des circuits. Les étudiants doivent effectuer une programmation simple sur ordinateur puis la mettre en mémoire de
l’automate. C'est l'occasion de comprendre que la programmation doit être adaptée au fonctionnement de
chaque capteur/actionneur. Par la suite, on demande de
faire circuler plusieurs trains sur la même voie. Dans
ce cas, il y a une condition à respecter : il est impératif
de laisser une distance minimale d'un canton entre deux
trains circulant sur la même voie. Cette situation nécessite l'application de la fonction "Arrêt d'urgence". La
programmation comprend une séquence par canton.
Les étudiants donc se familiarisent avec un fonctionnement simultané de plusieurs séquences.
La troisième partie du TP porte sur la programmation
en "Maître – Esclave". Les étudiants doivent apprendre
à gérer le fonctionnement d'une séquence commandée
par une autre, tel un sous programme ou une fonction
en informatique.
4 CONCLUSION
Ce dispositif pédagogique permet d’initier les étudiants
aux systèmes automatiques, mettant en jeux le fonctionnement des capteurs et actionneurs de la maquette.
Les étudiants peuvent ainsi approfondir leurs bases de
programmation en GRAFCET, acquérir des connaissances sur la gestion d'un processus séquentiel avec ses
différentes particularités de fonctionnement. Cette maquette est en place depuis plusieurs années. Comme
nous l’avons mentionné, les étudiants lui portent un
grand intérêt et y trouvent une motivation importante
pour l’apprentissage du langage GRAFCET.
Bibliographie
[1] Premier Auteur, Deuxième Auteur, "Titre de l'article",
Journal de l’Enseignement des Sciences et Technologies
de l’Information et des Systèmes (J3EA), Vol. x, y
(2006), DOI 10.151/j3ea:2006021 .
[2] Premier Auteur, Deuxième Auteur, "Titre de la
communication", Actes du 2ème Colloque sur
l’Enseignement des Technologies et des Sciences de
l’Information et des Systèmes (CESTIS-EEA’99),
Montpellier (France), Novembre 1999, pp. xxx-yyy.