Contrôle de moteur PLC industriel

Contrôleurs à logique programmable

Un contrôleur à logique programmable (PLC - Programmable Logic Controller) est un type d’ordinateur industriel conçu pour contrôler les équipements et processus industriels tels que les moteurs, les chaînes de montage, ainsi que les machines de traitement et de manutention. Conçus pour être robustes et résister à des conditions difficiles, les PLC sont idéaux pour les applications de contrôle dans des environnements soumis à des niveaux élevés de poussière ou d’humidité, de vibrations, de chocs et de températures extrêmes.

Les moteurs sont largement utilisés dans les applications industrielles et les PLC sont une solution idéale pour les contrôler. Ils permettent de facilement mettre en œuvre des règles complexes : par exemple, lorsqu’un bouton de démarrage est enfoncé, le moteur ne doit démarrer que si des capteurs indiquent que des protections sont présentes et qu’il n’y a pas de conditions d’erreur.

Qu’est-ce qu’un PLC ?

Un PLC est un contrôleur industriel basé sur un microprocesseur. Il dispose d’une mémoire programmable utilisée pour stocker des instructions de programme et diverses fonctions. Un PLC collecte des données à partir de capteurs ou d’autres périphériques d’entrée, traite ces données en fonction de ses paramètres définis, puis génère les sorties appropriées.

Ces sorties peuvent être des commandes de démarrage ou d’arrêt d’une machine ou le déclenchement d’alarmes pour avertir qu’un processus a dépassé ses valeurs limites.

Un PLC se compose de cinq composants principaux :

• Unité de traitement : elle interprète les entrées, exécute le programme de contrôle stocké et envoie des signaux de sortie
• Unité d’alimentation : elle convertit la tension AC en DC
• Unité de mémoire : elle stocke les données reçues des entrées ainsi que le programme exécuté par le processeur
• Interface d’entrée et de sortie : elle est utilisée par le contrôleur pour recevoir et envoyer des données depuis et vers les périphériques externes
• Interface de communication : elle reçoit et transmet des données sur les réseaux de communication vers et depuis des PLC distants

Les PLC sont faciles à programmer, même par des personnes ayant peu d’expérience des langages de programmation. La méthode la plus courante est un langage de programmation graphique appelé « schéma à contacts ». Les PLC offrent également une grande fiabilité et un diagnostic facile des défauts de processus.

Ils ont remplacé les systèmes de contrôle à relais câblés, qui prenaient du temps et étaient difficiles à concevoir et à dépanner. Malgré l’avènement de systèmes de contrôle plus sophistiqués basés sur du matériel informatique standard, les PLC restent populaires pour leur construction robuste et leur facilité d’utilisation.

Comment un PLC contrôle-t-il un moteur ?

Les PLC ne contrôlent pas directement les moteurs. Au lieu de cela, ils fournissent un signal de sortie à un dispositif intermédiaire. tel qu’un relais ou un variateur de fréquence (VFD - Variable Frequency Drive), qui commande au moteur de tourner.

Les PLC programmables sont en effet des ordinateurs industriels très flexibles qui peuvent utiliser une grande variété de signaux d’entrée et de sortie. Ceux-ci peuvent prendre deux formes : des signaux discrets ou analogiques. Les signaux discrets ne peuvent utiliser qu’une seule valeur d’activation ou de désactivation à partir d’appareils tels que des interrupteurs de fin de course, des capteurs et des encodeurs.

Les signaux analogiques peuvent utiliser une tension ou un courant proportionnel à la variable surveillée et peuvent utiliser n’importe quelle valeur dans leur échelle. Parmi les paramètres d’entrée utilisant un signal analogique, on trouve la pression, le débit et le poids.

Les signaux discrets sont le type le plus approprié pour un contrôle de moteur simple. Dans la plupart des cas, les opérateurs n’auront besoin que d’une commande de marche ou d’arrêt à émettre ou de lire l’état d’un capteur qui détermine si le moteur peut tourner en toute sécurité.

Application typique de contrôle de moteur PLC

Dans une application de contrôle de moteur, le moteur sera raccordé à un départ moteur qui alimente le moteur en courant, typiquement une alimentation triphasée 415V. La programmation en schéma à contacts permet de programmer le PLC pour répondre aux entrées des interrupteurs et des capteurs. Le PLC ne fournira donc le signal de mise en marche du moteur que si certaines conditions sont remplies.

Un PLC aura plusieurs entrées, dont un bouton de démarrage, un bouton d’arrêt et plusieurs entrées de verrouillage, par exemple, en cas de vibration élevée du moteur, de surcharge, de température élevée du moteur et d’activation des capteurs sur les barrières de protection. Il aura également une entrée pour indiquer si le moteur est sous contrôle local à partir du panneau ou à distance depuis le PLC.

Le fonctionnement de base consiste à démarrer le moteur lorsque le bouton de démarrage est enfoncé. Si l’une des entrées de verrouillage est activée, le programme du PLC considérera qu’il existe un défaut et empêchera le moteur de démarrer. Le PLC doit également arrêter le moteur lorsque le bouton d’arrêt est enfoncé ou lorsque les entrées des verrouillages passent enregistrent des niveaux élevés, indiquant une condition de défaut ou un problème de sécurité.

Les PLC peuvent également utiliser d’autres entrées pour contrôler le moteur pendant le fonctionnement. Des signaux analogiques tels que la vitesse du moteur, le courant et la température peuvent être utilisés pour garantir une performance optimale de la tâche, tandis que des signaux tels que les butées de fin de course garantissent que la charge déplacée par le moteur reste dans une zone physique définie.

Contrôle de moteur DC PLC

Les moteurs DC sont plus facilement actionnés via des relais. Un relais électromécanique (EMR - electromechanical relay) est fondamentalement un interrupteur actionné par un électroaimant. Le relais active ou désactive un circuit de charge en fournissant de l’énergie à l’électroaimant, qui à son tour ouvre ou ferme des contacts connectés en série avec une charge. Les relais sont généralement utilisés pour contrôler de petites charges de 15 A ou moins.

Un relais possède deux circuits, l’entrée de bobine (également appelée circuit de commande) et la sortie de contact (le circuit de charge). Dans les circuits de moteur, les EMR sont souvent utilisés pour contrôler les bobines des contacteurs et des démarreurs du moteur.

Un relais ne possède généralement qu’une seule bobine, mais il peut avoir de nombreux contacts différents. Les EMR ont à la fois des contacts fixes et mobiles, les contacts mobiles étant fixés à l’armature. Les contacts sont désignés comme normalement ouverts (NO - Normally Open) et normalement fermés (NC - Normally Closed). Lorsque la bobine est alimentée, un champ électromagnétique se forme, provoquant le déplacement de l’armature, fermant les contacts NO et ouvrant les contacts NF.

Les bobines sont généralement désignées par une lettre : M est utilisé pour un démarreur de moteur (Motor starter) et CR est utilisé pour les relais de commande (Control Relays). Les contacts de relais de contrôle sont petits, car ils n’ont besoin que de gérer les petits courants utilisés dans les circuits de contrôle, ce qui leur permet de contenir de nombreux contacts isolés.

Un appareil similaire à un EMR est un contacteur, la principale différence étant la taille et le nombre de contacts. Les contacteurs sont destinés à un raccordement direct aux dispositifs de charge à courant élevé. Les appareils commutant plus de 15 A ou dans des circuits évalués à plus de quelques kilowatts sont généralement décrits comme des contacteurs.

Comment un PLC contrôle-t-il la vitesse d’un moteur ?

Les PLC peuvent être utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs AC via un variateur de vitesse (VSD - Variable Speed Drive), également appelé variateur de fréquence (VFD - Variable Frequency Drive). Dans le contrôle de moteur avec VFD, la fréquence de l’alimentation CA du moteur varie. Comme la vitesse d’un moteur à induction dépend de la fréquence d’alimentation, les VFD peuvent être utilisés pour faire varier sa vitesse. Ils peuvent également être utilisés avec des moteurs synchrones.

Fondamentalement, un VFD est un convertisseur de puissance qui utilise le système électronique pour convertir une fréquence fixe et une tension fixe en une fréquence variable et une tension variable. Il dispose généralement d’une interface utilisateur programmable qui permet de surveiller en toute facilité la vitesse du moteur électrique.

Dans la mesure où les variateurs réduisent la sortie d’une application, telle qu’une pompe ou un ventilateur, en contrôlant la vitesse du moteur, ils peuvent souvent réduire la consommation d’énergie de 50 % et jusqu’à 90 % dans les cas extrêmes.

Alors que le VFD contrôle la vitesse du moteur, le VFD lui-même peut être contrôlé à distance à l’aide d’un PLC. Pour ce faire, le PLC doit fournir au VFD un point de consigne pour la vitesse du moteur. Cela peut provenir soit automatiquement du PLC, soit être défini par l’opérateur à l’aide de l’interface homme-machine (IHM). Dans cet agencement, le PLC contrôle la vitesse du variateur via le point de consigne et le VFD contrôle la vitesse du moteur en ajustant sa fréquence pour atteindre le point de consigne.

Une application typique avec VFD pour contrôler la vitesse du moteur peut tirer parti des fonctionnalités du contrôle PID offertes par certains PLC. Comme son nom l’indique, un contrôleur PID se compose de trois principaux coefficients : proportionnel, intégral et dérivé. Dans le cadre d’un système de contrôle en boucle fermée, le PLC utilise la fonction PID pour évaluer la vitesse du moteur et générer une sortie appropriée. Ceci sera envoyé au VFD afin qu’il puisse ordonner au moteur de ralentir ou d’accélérer pour atteindre le point de consigne requis.

Avantages des PLC programmables dans les applications d’entraînement de moteur

Les PLC offrent plusieurs avantages aux applications d’entraînement de moteur. Comme les moteurs dans les environnements industriels se trouvent souvent dans des atmosphères poussiéreuses ou humides, ou avec un degré élevé de vibrations mécaniques, l’équipement de contrôle doit être solide et robuste… et les PLC le sont.

Les bons PLC industriels ne sont généralement pas affectés par le bruit électrique courant présent dans la plupart des sites industriels. Comme ils ont très peu de pièces mobiles, les risques de défauts et de dommages sont également très réduits. Ils sont également compacts et faciles à installer dans de nombreux endroits où un contrôle de moteur peut être nécessaire.

La programmation d’un PLC est également facile, car ils sont programmés avec un schéma à contacts ou dans d’autres langages faciles à apprendre. Grâce à un langage de programmation intégré dans sa mémoire et à des bornes pour les dispositifs de terrain d’entrée et de sortie et des ports de communication, les programmes existants peuvent facilement être modifiés à tout moment. Il est ainsi beaucoup plus facile pour les ingénieurs ayant peu d’expérience en programmation d’écrire ou d’adapter des programmes pour gérer les applications de leurs moteurs.

Malgré leur simplicité, les PLC programmables sont basés sur la technologie des microprocesseurs à semi-conducteurs et représentent en tant que tels une grande avancée par rapport aux formes purement électromécaniques de contrôle de moteur telles que les relais. Les relais présentent un inconvénient majeur : ils doivent être câblés pour remplir une fonction spécifique. Cela signifie que lorsque les exigences du système du moteur changent, le câblage du relais doit également être changé ou modifié. Grâce à leurs fonctions de programmabilité, les PLC ont éliminé une grande partie du câblage nécessaire avec les circuits de contrôle de moteur à relais conventionnels.

Une fois qu’un programme a été écrit et testé, il est facile de le télécharger vers d’autres PLC utilisant des applications de moteur similaires. Dans la mesure où toute la logique est contenue dans la mémoire du PLC, le risque d’erreurs de câblage logique est éliminé.

Lorsque des erreurs se produisent, les applications basées sur le PLC sont faciles à dépanner grâce aux diagnostics intégrés du PLC et aux fonctions de remplacement qui permettent aux utilisateurs de suivre et de corriger facilement les problèmes logiciels et matériels. Par exemple, les utilisateurs peuvent afficher le programme de contrôle sur un moniteur et l’observer en temps réel pendant son exécution. Le dépannage est également simplifié par des indicateurs de panne et des messages affichés sur l’écran du programmateur.

En raison de leur programmabilité, les PLC offrent également plus de flexibilité. Avec un PLC, les relations entre les entrées et les sorties sont régies par le programme utilisateur plutôt que par la manière dont elles sont interconnectées. Les fabricants d’équipement d’origine peuvent mettre à jour le système en envoyant un nouveau programme tandis que les utilisateurs finaux peuvent modifier le programme sur le terrain. Les utilisateurs peuvent également ajouter des modules de fonction et des capteurs supplémentaires pour améliorer la flexibilité et les performances d’un système de contrôle de moteur basé sur un PLC. Par exemple, un capteur de température peut indiquer qu’un processus doit être refroidi ou réchauffé, et le PLC peut mettre le moteur en marche pour entraîner un ventilateur de refroidissement ou transférer la chaleur de convection d’une source de chaleur.

Les PLC ont également des capacités de communication sophistiquées et peuvent communiquer avec d’autres contrôleurs ou équipements informatiques. Cela leur permet d’exécuter des fonctions telles que le contrôle de supervision, de collecter des données, de surveiller des appareils et de traiter des paramètres, ainsi que de télécharger des programmes. Les PLC peuvent également utiliser une variété de protocoles de communication standard.

Avec tous ces avantages, les PLC programmables sont le moyen idéal pour contrôler les applications de moteurs. Résistants, robustes et faciles à programmer, offrant une grande fiabilité et flexibilité, les PLC apportent aux installations un contrôle de moteur industriel avancé sans qu’il soit nécessaire d’adopter un système d’automatisation complet. Offrant une capacité autonome, mais avec la flexibilité de communiquer avec d’autres unités, ainsi que la capacité d’utiliser des données à partir d’une large gamme de capteurs, les PLC peuvent convenir à une large gamme d’applications de contrôle de moteur.