RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTÈRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITÉ IBN-KHALDOUN DE TIARET

FACULTÉ DES SCIENCES APPLIQUEES
DÉPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

MEMOIRE DE FIN D'ETUDES

Pour l’obtention du diplôme de Master
Domaine : Sciences et Technologie
Filière : Automatique
Spécialité : Automatique et informatique Industrielle

THÈME

Supervision d’un niveau d’eau via un automate programmable :

Etude et Conception

Préparé par :
Zerrouk Imad Eddine
Yeddou Youcef

Devant le Jury :
Nom et prénoms Grade Qualité
M. LARBI Pr Président
T. ALLAOUI Pr Examinateur 1

M. SEBAA Pr Examinateur 2

H. BOUMEDIENE MCB Encadreur

S. HASSAINE Pr Co-Encadreur

PROMOTION 2021/2022
 Dédicace
Nous dédions cet humble travail : A nos chers
parents, pour leurs soutiens et leurs encouragements
tout au long de nos années scolaires, aucun honneur ne
peut égaler l'amour qu'ils continuent à donner. Que
Dieu leur accorde bien-être et longue vie.
A nos chers frères et chères sœurs, que Dieu nous
les garde.
A notre grand-mère, que Dieu prolonge sa vie.
À tous nos chers amis, tous nommés et spéciaux.
Et à **Ben Bella Walid** en particulier.
A tous nos enseignants et collègues.
Et à tous ceux qui placent nos succès dans leurs
cœurs
Puissent-ils trouver ici l'expression de toutes nos
gratitudes.

Imad Eddine & Youcef

 REMERCIEMENTS
Nous voulons d'abord remercier Dieu, pour avoir nous
accorder la force et la patience pour accomplir cette
humble tâche.
Deuxièmement, nous tenons à remercier nos chers
parents qui ont toujours été avec nous et qui ont donné
un excellent exemple de travail acharné et de
persévérance.
Nous remercions également :
Mr. Boumediene Hamid et Mr. Hassaine Saïd qui nous
ont gracieusement encadrés pour élaborer et suivre ce
projet de fin d'études.
Nous tenons également à remercier les membres du
jury qui nous ont honorés pour avoir examiné ce
modeste travail.
Nous en profitons pour remercier tous les enseignants
de l'Université de Tiaret et tous les personnels du
laboratoire de génie énergétique et génie informatique
en particulier « Mr. Tahri Ahmed » pour tout ce qu'ils
nous ont apporté.
Imad Eddine & Youcef
 Sommaire

INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE I : LES AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS

ET REGULATION
I.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................ 4
I.2. SYSTEMES AUTOMATISES ............................................................................................................ 4
I .2.1. Objectif de l'automatisation ............................................................................................... 4
I.2.2. Avantages et les Inconvénients de l'automatisation .......................................................... 4
I.2.3. Domaines d'application des systèmes automatisés ............................................................ 5
I .2.4. Structure d’un automatisme .............................................................................................. 5
I. 2.5. Mise en œuvre d'un automate ............................................................................................ 7
I .2.6. Caractéristiques d'un automatisme................................................................................... 7
I .3. Définition d'un API ................................................................................................................ 7
I .3.1. Principe générale de fonctionnement d'un API ................................................................ 8
I .3.2. Architecture d'un API ........................................................................................................ 8
I.3.2.1. Aspect extérieur ............................................................................................................ 8
I.3.2.1.2. Modulaire ............................................................................................................... 9
I.3.2.2. Structure interne ........................................................................................................... 9
I.3.2.2.1. Un module d'alimentation ..................................................................................... 9
I.3.2.2.2. Unité de traitement ou processeur ........................................................................ 9
I.3.2.2.3. Mémoire programme ............................................................................................. 9
I.3.2.2.4. Mémoire de données .............................................................................................. 9
I.3.2.2.5. Interface d'entrée ................................................................................................... 9
I.3.2.2.6. Une interface de sortie ......................................................................................... 10
I .3.3. Critères de choix de l'automate programmable industriel ........................................... 10
I .4. PRESENTATION DE QUELQUES GAMMES SIMATIC ................................................................ 11
I .4.1. SIMATIC S7 ...................................................................................................................... 11
I .4.1.1. SIMATIC S7-200 ....................................................................................................... 11
I .4.1.2. SIMATIC S7-300 ....................................................................................................... 11
I .4.1.3. SIMATIC S7-400 ....................................................................................................... 12
I .4.1.4. SIMATIC S7-1200 ..................................................................................................... 12
I .4.1.5. SIMATIC S7-1500 ..................................................................................................... 13
I .4.2. Description de l'Automate S7-1200 ................................................................................. 13
I -5. La régulation automatique ................................................................................................. 15
I .5.1. Définition de la régulation automatique ......................................................................... 15
 Sommaire

I.5.2. Objectif de la régulation automatique ............................................................................. 16

I.5.3. Notion de Boucle ouverte/fermée ...................................................................................... 17
I.5.3.1. Système boucle ouverte............................................................................................... 17
I.5.3.2. Système boucle fermée................................................................................................ 17
I .6. DEFINITION DE LA REGULATION PID ...................................................................................... 17
I .6.1. Notion de correcteur PID ................................................................................................. 18
I.6.2. Structure des régulateurs électroniques .......................................................................... 19
I.7.CONCLUSION ............................................................................................................................... 20

CHAPITRE II : DESCRIPTION LOGICIELLE DE PROGRAMMATION

: DU CONTROLE A LA SUPERVISION
II.1. INTRODUCTION ......................................................................................................................... 22
II.2. LOGICIEL DE PROGRAMMATION « TIA PORTAL V16 » .......................................................... 22
II.2.1. Présentation du logiciel .................................................................................................... 22
II.3. STEP 7 SUR TIA PORTAL .......................................................................................................... 22
II.3.1. Vue du portal et vue du projet ........................................................................................ 22
II.3.2. Vue du portal .................................................................................................................... 22
II.3.3. Vue du projet .................................................................................................................... 23
II.3.4. Adressage des E/S ............................................................................................................. 24
II.3.5. Les variables API .............................................................................................................. 24
II.3.6. Types de variables utilisées en STEP7 ............................................................................ 25
II.3.7 Configuration de l’API S7-1200 ....................................................................................... 26
II.4. SIMATIC WINCC COMFORT ................................................................................................... 32
II.5. CONFIGURER UNE VUE IHM .................................................................................................... 33
II.6. MODELISATION ET SIMULATION DU SYSTEME ....................................................................... 37
II.7. CONCLUSION ............................................................................................................................ 40

CHAPITRE III : COMPOSANTES MATERIELLES UTILISEES POUR

LA CONCEPTION DU SYSTEME DE CONTROLE DU NIVEAU D'EAU
III.1. INTRODUCTION ....................................................................................................................... 42
III.2. PANNEAU DE FORMATION API S7-1200 (CPU 1215C, KTP 700) ......................................... 42
III.3. LE CPU 1215C DC/DC/DC ..................................................................................................... 43
III.4. ALIMENTATION RAIL DIN SIEMENS SIMATIC PM 1207..................................................... 44
III.5. SIEMENS SCALANCE XB005................................................................................................. 45
III.6. IHM SIEMENS SIMATIC KTP700 PN ............................................................................ 48
 Sommaire

III.7. Partie réalisation …………………………………………………………….…..………..49

III.8. Résultats obtenir…………………………………………………………………………..51

III.9. Conclusion .......................................................................................................................... 52

CONCLUSION GENERALE
 Liste Des Figures

Liste Des Figures

Chapitre I
Figure I.1: Représentation d'un automate programmable industriel........................................................ 4
Figure I. 2: Structure d'un système automatisé. ....................................................................................... 6
Figure I. 3 : Dialogue entre la partie commande et la partie opérative. .................................................. 6
Figure I. 4: Fonctionnement d’un API. ................................................................................................... 8
Figure I. 5: Structure interne des automates .......................................................................................... 10
Figure I. 6: API SIMENS S7-200. ........................................................................................................ 11
Figure I. 7: API SIMENS S7-300. ........................................................................................................ 12
Figure I. 8: API SIMENS S7-400. ........................................................................................................ 12
Figure I. 9: API SIMENS S7-1200. ...................................................................................................... 13
Figure I. 10: API SIMENS S7-1500...................................................................................................... 13
Figure I. 11: Automate S7-1200- Siemens. ........................................................................................... 14
Figure I. 12: Possibilités d’extension de la CPU . ................................................................................. 15
Figure I. 13: Présentation d'un schéma fonctionnel d'un régulateur. ..................................................... 16
Figure I. 14: Système en boucle ouverte. .............................................................................................. 17
Figure I. 15: Système en boucle fermée. ............................................................................................... 17
Figure I. 16: Schéma d’un régulateur PID mixte................................................................................... 19
Figure I. 17: Schéma d’un régulateur PID parallèle. ............................................................................. 19
Figure I. 18: Schéma d'un régulateur PID série. .................................................................................... 20

Chapitre II

Figure II.1: Vue du portal. ..................................................................................................................... 23

Figure II.2: Vue du projet. ..................................................................................................................... 23
Figure II.3: Adressage des E/S. ............................................................................................................. 24
Figure II.4: Créer un projet.................................................................................................................... 26
Figure II.5: Configurer un appareil. ...................................................................................................... 26
Figure II.6: Ajouter un appareil. ............................................................................................................ 27
Figure II.7: Ajouter un appareil. ............................................................................................................ 27
Figure II.8: Bloc de donnée DB1. ......................................................................................................... 28
Figure II.9: Commande d’une pompe à l’aide de la bascule SR. .......................................................... 29
Figure II.10: La fonction FC1. .............................................................................................................. 29
Figure II.11: Normalisation des signaux analogique. ............................................................................ 30
Figure II.12: La fonction FC2. .............................................................................................................. 30
 Liste Des Figures

Figure II.13: Création d’un PID. ........................................................................................................... 31

Figure II.14: Démarrage de simulation. ................................................................................................ 31
Figure II.15: Fenêtre du travail dans le WinCC. ................................................................................... 32
Figure II.16: Configurer une vue IHM. ................................................................................................. 33
Figure II.17: Choisit le pupitre. ............................................................................................................. 33
Figure II.18: Vue système en mode manuel et la pompe est éteint. ...................................................... 34
Figure II.19: Vue système en mode manuel et la pompe en marche. .................................................... 34
Figure II.20: Vue système en mode automatique. ................................................................................. 35
Figure II.21: Vue des paramètres. ......................................................................................................... 36
Figure II.22: Vue des courbes. .............................................................................................................. 36
Figure II.23: Système de réservoir d'eau.. ............................................................................................. 34
Figure II.24: Modèle Simulink du système de réservoir d'eau.. ............................................................ 35
Figure II.25: Modèle Simulink du contrôle PID appliqué au réservoir d'eau........................................ 36
Figure II.26: Résultats de simulation du contrôle PID appliqué au réservoir d'eau .............................. 36

Chapitre III

Figure III.1: Panneau de formation API S7-1200. ................................................................................ 42

Figure III.2: CPU 1215C DC/DC/DC. .................................................................................................. 43
Figure III.3: SIMATIC PM 1207. ......................................................................................................... 44
Figure III.4: SCALANCE XB005. ........................................................................................................ 46
Figure III.5: Caractéristiques techniques du SCALANCE XB005 . ..................................................... 48
Figure III.6: IHM SIEMENS SIMATIC KTP700 Basic PN. ................................................................ 48
Figure III.7: Vue du système de niveau d’eau…………………………………………………...…….49
Figure III.8: Vue des composants utilisées……………………………………………………………..50

Figure III.9: Vue des courbes de PID………………………………………………………...………..51

 Liste Des Tableaux

Liste Des Tableaux

Chapitre I

Tableau I.1: Notion de correcteur PID. ................................................................................................. 18

Chapitre II

Tableau II.1: Types de variables utilisées en step7 . ............................................................................. 25

Tableau II.2: Paramètres........................................................................................................................ 38
 Liste Des Abréviations

Liste Des Abréviations

API : Automate Programmable industriel

CPU : Unité centrale de l’automate (Central Processing Unit).

E/S: Entrée / Sortie.

RAM: Random Access Memory

PROFINET: Process Field Network

PROFIBUS: Process Field Bus

FM : Frequency Modulation

BO : Boucle Ouverte

BF : Boucle Fermée

GPRS: General Packet Radio Service

SB: Signal Board

CB : Communication Board

DB : Blocs de données

FB : Bloc fonctionnel

FC : Fonction

OB : Bloc d’organisation.

HMI : Human Machine Interface

IHM : Interface Homme/Machine

IP : Internet Protocol

PN/IE : Profinet/Industriel Ethernet

IP : Internet Protocol.

PC : Partie Commande.

PO : Partie Opérative.

DC : Direct Curant
 Liste Des Abréviations

DI: Digital Inputs

DO: Digital outputs

AI: Analog inputs

AO: Analog outputs

PID : Proportionnel-intégral-dérivée

PLC : Programmable Logic Controller

S7: Step7

SIMATIC: Siemens Automatic

SP: Sept Point

TOR : Tout ou Rien

TIA Portal : Totally Integrated Automation Portal

V16 : Version 16

WinCC : Windows Control Center

Introduction Générale
 Introduction Générale

Introduction générale

Les réservoirs sont inclus dans la composition de la plupart des usines, en particulier les
réservoirs d'eau, car l'eau est incluse dans la composition de la plupart des matériaux fabriqués, nous
avons donc travaillé pour contrôler le niveau d'eau pour garantir que le système fonctionne bien à travers
une interface homme machine.
L'automatisation de notre système est cruciale car elle contribue à améliorer la productivité, la
flexibilité, la qualité et les conditions de travail. Les systèmes automatisés sont rapides et précis car ils
effectuent des tâches difficiles ou presque impossibles pour les humains. L'automatisation est synonyme
de qualité de production, de sécurité et de précision.
Nous utilisons le programme TIA Portal V16 pour l'automatisation et la surveillance du niveau
d'eau. L'étude sera basée sur la précision absolue de l'analyse de tous les composants de notre système.
Un automate de type S7-1200 a été utilisé et cette automatisation a été réalisée à l'aide du
programme TIA PORTAL V16 de SIEMENS pour refléter notre projet, considéré comme l'un des
meilleurs programmes d'ingénierie développés par l'entreprise.
Les objectifs de notre projet sont de contrôler et de réguler le niveau d'eau, de l'améliorer et de
l'automatiser, d'établir un système de surveillance et d'assurer la continuité de ces travaux.
Dans cette note, nous présentons trois chapitres principaux décrivant les éléments clés de notre
projet de fin d'études :
Le premier chapitre est consacré aux généralités sur l’automatisation. Nous avons mentionné
les objectifs et la structure du système automatisé, ainsi que le principe de fonctionnement et les
différentes unités constituant l’API. Et la description de l'API S7-1200. Et la définition et l'objectif de la
régulation automatique.
Dans le chapitre 2 une étude par simulation du système de contrôle du niveau d'eau incluant un
algorithme PID est développée. Les principaux résultats du projet sont exposés. La simulation est
présentés et démontrent l'efficacité de la mise en œuvre. Une partie importante du même chapitre est
consacrée à la présentation du logiciel TIA Portal V16 et comment choisir et modifier le matériel et
mentionner les différentes étapes de simulation de notre programme et la modélisation du réservoir
d’eau.
Le troisième et dernier chapitre, nous avons parlé du matériel que nous avons utilisé dans notre
projet (Panneau de formation API S7-1200(CPU1215C, KTP 700)).

2
 Chapitre I :

Les Automates Programmables Industriels et

régulation
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I.1. Introduction
Les processus d'automatisation créent des opérations qui requièrent une intervention humaine
pour automatiser les opérations. L'API vise à remplacer ce travail par des tâches simples, générales et
pouvant être répétées nécessitant de la précision. Nous sommes passés d'un système manuel à un système
automatisé utilisant des techniques électromécaniques, électroniques, pneumatiques et hydrauliques.
L'automatisation est disponible dans tous les domaines (fabrication, alimentation, transport, automobile
…etc.).

I.2. Systèmes automatisés

Un système automatisé est un ensemble d'éléments en interaction organisé dans un but précis :
agir sur une matière d'œuvre pour lui donner une valeur ajoutée. Le système automatisé est soumis à des
contraintes : énergétiques, de configuration, déréglage et d'exploitation qui interviennent dans tous les
modes de marche et d'arrêt du système [1].

Figure I.1: Représentation d'un automate programmable industriel.

I .2.1. Objectif de l'automatisation

L'objectif de l'automatisation des systèmes est de garantir, en ayant recours le moins possible à
l'homme, des produits de qualité et ce pour un coût le plus faible possible avec une augmentation de la
sécurité tout en s'adaptant à des contextes particuliers. En effet l’automatisation des processus permet
de :

▪ Accroître la productivité de l'entreprise en réduisant les coûts de production,

▪ Améliorer la flexibilité de la production,
▪ Perfectionner la qualité du produit,
▪ S’adapter à des contextes particuliers,
▪ Augmenter la sécurité.

I.2.2. Avantages et les Inconvénients de l'automatisation

Les avantages de l'automatisation des processus sont multiples mais on peut résumer quelques
avantages dans les points suivants :

4
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

• La capacité de production accélérée,

• L’aptitude à convenir à tous les milieux de production,
• La souplesse d'utilisation,
• La création de postes d'automaticiens,
Par contre, l'automatisation des processus possède certains inconvénients dont on citer entres
autres :

• Le coût élevé du matériel, principalement avec les systèmes hydrauliques,

• La maintenance doit être structurée,
• La suppression d'emplois.

I.2.3. Domaines d'application des systèmes automatisés

Aujourd'hui, il est difficile de concevoir un système de production sans avoir recours aux
différentes technologies et composants qui forment les systèmes automatisés, à savoir dans les domaines
d'automobile, aviation, industrie, médical et de transport.

I .2.4. Structure d’un automatisme

Dès sa conception, un système à automatiser doit être décomposé en trois parties :

• La partie commande ou automate qui élabore les ordres nécessaires à l'exécution du processus,
en fonction des consignes qu'elle reçoit à l'entrée et des comptes rendus d'exécution qui lui sont
fournis par la partie opérative.
• La partie opérative qui effectue les opérations en exécutant les ordres qui lui sont donnés par la
partie commande.
• La partie relation ou dialogue qui représente l'échange des informations entre la partie
commande et l'opérateur (pilote, usage, surveillant…) dont elle reçoit des consignes en lui
donnant des comptes rendus visuels ou sonores [2].

5
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

Figure I.2: Structure d'un système automatisé.

Cette structure permet un dialogue profitable entre le futur utilisateur du système et l'automaticien
responsable de la partie commande.

Figure I.3: Dialogue entre la partie commande et la partie opérative.

6
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I. 2.5. Mise en œuvre d'un automate

La mise en œuvre de tout système automatisé implique une série de tâches qui constituent autant
d'étapes successives naturellement interdépendantes [2] :

▪ L’étude préalable,
▪ L’étude proprement dite et préparation,
▪ Fabrication et essais,
▪ Mise en route et exploitation.

I .2.6. Caractéristiques d'un automatisme

Les automatismes sont des dispositifs qui permettent à des machines ou des installations de
fonctionner automatiquement [2].

Cependant, un automatisme bien conçu, simplifie considérablement le travail de l'homme qui,

libéré vis-à-vis de la machine, peut se consacrer à des activités plus nobles permettant de :

• Réduire les tâches complexes, pénibles ou indésirables en les faisant exécuter par la machine,
• Faciliter les changements de fabrication en passant d'une quantité ou d'un type de production à
un autre,
• Améliorer la qualité des produits en asservissant la machine à des critères de fabrication et à des
tolérances qui seront respectées dans le temps,
• Accroître la production ainsi que la productivité,
• Réaliser des économies de matière et d'énergie,
• Augmenter la sécurité du personnel,
• Contrôler et protège les installations et les machines.
I .3. Définition d'un API
Un automate programmable industriel (API) est un appareil électronique spécialisée dans la
conduite et la surveillance en temps réel de processus industriels et tertiaires. Il exécute une suite
d'instructions introduites dans sa mémoire sous forme de programme et s'apparente par conséquent aux
machines de traitement d'information.

Trois caractéristiques fondamentales le distinguent totalement des outils d'informatiques tels que
les ordinateurs utilisés dans les entreprises et tertiaires :

- Connexion directe aux différents capteurs et actionneurs grâce à ces entrées/sortie ;

- Fonctionnement dans des conditions industrielles sévères (température, vibrations, humidité,
microcoupure de l'alimentation en énergie électrique…) ;
- Son aspect pratique grâce à la possibilité de sa programmation en utilisant un langage
spécialement développé pour le traitement de fonctions d'Automate (Step7) [3].

7
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I .3.1. Principe générale de fonctionnement d'un API

Tous les automates fonctionnent selon le même mode opératoire :

• Traitement interne : l'automate effectue des opérations de contrôles et met à jour certaines
paramètres systèmes (détection des passages en RUN/STOP, mises à jour des valeurs de
l’horodateur,) ;
• Lecture des entrées : l'automate lit les entrées (de façon synchrone) et les recopies dans la
mémoire image des entrées ;
• Exécution du programme : l'automate exécute le programme instruction par instruction et écrit
les sorties dans la mémoire image des sorties ;
• Ecriture des sorties : l'automate bascule les différentes sorties (de façon synchrone) aux
positions définies dans la mémoire image des sorties.
Ces quatre opérations sont effectuées continuellement par l'automate (fonctionnement
cyclique)[4].

Figure I.4: Fonctionnement d’un API.

I .3.2. Architecture d'un API

I.3.2.1. Aspect extérieur
Les automates peuvent être de type compact ou modulaire. Pour la configuration compacte, il
intègre le processeur, l'alimentation et les entrées/sortie. Il peut réaliser certaines fonctions
supplémentaires et recevoir des extensions limitées. Il est généralement destiné à la commande de petits
automatismes.

8
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I.3.2.1.2. Modulaire
Dans ce modèle le processeur, l'alimentation et les interfaces entrées/sorties résident dans des unités
séparées (modules). Ces automates sont intégrés dans les automatismes complexes de grande puissance et
de capacité de traitement.

I.3.2.2. Structure interne

Un automate programmable industriel est donc constitué des éléments suivants :

I.3.2.2.1. Un module d'alimentation

Le module d'alimentation transforme l'énergie externe provenant du réseau en la mettant en
forme afin de fournir aux différents modules de l'API les niveaux de tension nécessaires à leur bon
fonctionnement. Plusieurs niveaux de tension peuvent être utilisés par les circuits internes (3V, 5V, 12V,
24V…). Il sera dimensionné en fonction des consommations des différentes parties.

I.3.2.2.2. Unité de traitement ou processeur

Le processeur gère l'ensemble des échanges informationnels en assurant :

- La lecture des informations d'entrée,

- L’exécution des instructions du programme mis en mémoire,
- La commande ou l'écriture des sorties.

I.3.2.2.3. Mémoire programme

La mémoire programme de type RAM contient les instructions à exécuter par le processeur afin
de déterminer les ordres à envoyer aux pré-actionneurs reliés à l'interface de sortie en fonction des
informations recueillies par les capteurs reliés à l'interface d'entrée.

I.3.2.2.4. Mémoire de données

La mémoire de donnée permet le stockage de :

- L’image des entrées reliées à l'interface d'entrée,

- L’état des sorties élaborées par le processeur,
- Les valeurs internes utilisées par le programme (résultats de calculs, états intermédiaires…).
- Les états forcés ou non des E/S.
I.3.2.2.5. Interface d'entrée
L'interface d'entrée permet la connexion à l'API d'un multiple de capteurs pouvant être de type :

- TOR (logiques ou Tout Ou Rien) ;

- Numériques ;
- Analogiques.

9
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

Ces différentes entrées sont mises en forme par l'interface 'entrée avant d'être stockées dans la
mémoire de données.

I.3.2.2.6. Une interface de sortie

L'interface de sortie permet la connexion de l'API aux de pré actionneurs, qui peuvent être de
type :

- TOR (logiques ou Tout Ou Rien) ;

- Numériques ;
- Analogiques.

Figure I.5: Structure interne des automates.

I .3.3. Critères de choix de l'automate programmable industriel

Après avoir étudié notre système dans les chapitres précèdent, le choix des API repose sur des
considérations tels que :

- Le nombre et la nature des entrées/sorties ;

- Le type du processeur, la taille de la mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales
offertes par le processeur ;
- Processeur en calcul afin de sécuriser le traitement et la communication avec le procédé ;
- Communication avec d'autre système ;
- La fiabilité et la robustesse ;
- Protection contre les parasites (champs électromagnétiques), baisse et pic de tension.
- Pour notre travail, nous avons choisi à l'Automate SIEMENS S7-1200 et cela vue
- Le nombre d'entrées/sorties (14 /10) ;
- La nature Analogiques d'entrées/sorties [5].

10
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I .4. Présentation de quelques gammes SIMATIC

Il existe plusieurs gammes de SIMATIC. On trouve le SIMATIC S7 et le SIMATIC M7 :

I .4.1. SIMATIC S7
Dans la gamme S7 on distingue cinq grandes familles d'automates programmables industriels
décrites dans ces paragraphes qui suivent.

I .4.1.1. SIMATIC S7-200

La famille S7-200 est constituée de micro-automates programmables utilisables dans des
applications d'automatisations variées. La Figure ci-dessous présente un micro automate S7 -200. Son
dessin compact, ses possibilités d'expansion, son faible prix et son important jeu d'opérations en font
une solution idéale pour la commande de petites applications. En outre, le large choix de tailles et de
tensions de CPU offre la souplesse nécessaire pour résoudre un problème d'automatisation.

Un automate programmable S7-200 consiste en un CPU S7-200 seul ou complété de divers

modules d'extension facultatifs connectés à cette dernière a l'aide d'un connecteur de bus fourni avec ce
module d'extension [6].

Figure I.6: API SIMENS S7-200.

I .4.1.2. SIMATIC S7-300

La famille S7-300 est constituée d'automates programmables de conception modulaire utilisés
pour des automatismes de gamme, et peuvent être connectés entre eux au moyen d'un câble-bus
PROFIBUS. Un automate S7-300 consiste en un CPU, un module d'alimentation PS, un module de
signaux FM, un module de signaux SM et un processeur de communication, comme indiqué dans la
figure suivante [6].

11
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

Figure I.7: API SIMENS S7-300.

I .4.1.3. SIMATIC S7-400

La famille S7-400 est aussi constituée d'automates programmables de conception modulaire.
Pratiquement chaque tâche d'automatisation peut être résolue par un choix approprié des constituants de
S7-400 et avec la possibilité d'expansion de plusieurs modules.

Les modules se présentent sous forme de boitiers que l'on adapte sur un châssis [6].

Figure I.8: API SIMENS S7-400.

I .4.1.4. SIMATIC S7-1200

L'automate SIMATIC S7-1200 est modulaire et compact, polyvalent et constitue une solution
parfaitement adaptée à une grande variété d'applications. Une conception modulaire et flexible, une
interface de communication répondant aux exigences les plus sévères dans l'industrie et une large
gamme de fonctions technologiques performantes et intégrées faisant de lui une solution
d'automatisation complète [7].

12
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

Figure I.9: API SIMENS S7-1200.

I .4.1.5. SIMATIC S7-1500

Le SIMATIC S7-1500 est le système de commande modulaire pour une multitude d'applications
dans le secteur de l'automatisation discrète. Il dispose d'une vaste gamme de modules combinables
individuellement [8].

Figure I.10: API SIMENS S7-1500.

I .4.2. Description de l'Automate S7-1200

Le contrôleur S7-1200 offre la souplesse et la puissance nécessaires pour commander une large
gamme d'appareils afin de répondre aux besoins en matière d'automatisation. Sa forme compacte, sa
configuration souple et son important jeu d'instructions en font une solution idéale pour la commande
d'applications très variées [9].

Le CPU combine un microprocesseur, une alimentation intégrée, des circuits d'entrée et de

sortie, un PROFINET intégré, des E/S rapides de commande de mouvement, ainsi que des entrées
analogiques intégrées dans un boîtier compact en vue de créer un contrôleur puissant. Une fois le
programme chargé, le CPU contient la logique nécessaire au contrôle et à la commande des appareils
dans votre application.

Le CPU surveille les entrées et modifie les sorties conformément à la logique de votre
programme utilisateur, qui peut contenir des instructions booléennes, des instructions de comptage, des

13
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

instructions de temporisation, des instructions mathématiques complexes ainsi que des commandes pour
communiquer avec d'autres appareils intelligents [10].

Le CPU fournit un port PROFINET permettant de communiquer par le biais d'un réseau
PROFINET. Des modules supplémentaires sont disponibles pour communiquer via les Réseaux
PROFIBUS, GPRS, RS485 ou RS232. Pour ce projet, le S7-1200 est programmé en l'aide du logiciel
TIAPORTAL sous Windows.

Figure I.11: Automate S7-1200- Siemens.

1. Connecteur d'alimentation.
2. Logement pour carte mémoire sous le volet supérieur.
3. Connecteurs amovibles pour le câblage utilisateur (derrière les volets).
4. DEL d'état pour les E/S intégrées.
5. Connecteur PROFINET (sur la face inférieure de la CPU).
▪ Choix de la CPU
Les CPU du système SIMATIC S7-1200 se déclinent en trois classes de performances :
CPU1211 C, CPU1212 C et CPU1214 C, chacune d'elles pouvant être étendue en fonction des besoins
de la station. Sur chaque CPU, il est possible de greffer une platine d'extension pour ajouter des E/S,
TOR ou analogiques supplémentaires sans modification de l'encombrement de l'automate.

Des modules d'E/S supplémentaires peuvent être ajoutés du côté droit de la CPU pour étendre
la capacité d'E/S, TOR ou analogiques [11].

▪ Le choix des modules d'Entrées/Sorties

Le choix des modules E/ S est basé sur les critères suivants :

- Le type et la valeur de la tension d'entrée ou de sortie.

14
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

- Le nombre de voies.
- Le type d'entrée ou de sortie (sonde, thermocouple, électrovanne...).
▪ Possibilités d'extension du CPU
La gamme S7-1200 offre divers modules et cartes enfichables pour accroître les capacités du CPU
avec des E/S supplémentaires ou d'autres protocoles de communication [11].

Figure I.12: Possibilités d’extension de la CPU [12].

I -5. La régulation automatique

I .5.1. Définition de la régulation automatique
La régulation automatique regroupe l'ensemble des moyens matériels et techniques mis en
œuvre pour maintenir automatiquement (pas d'intervention manuelle) une ou plusieurs grandeurs
physiques (installation de production, robot, alimentation électronique stabilisée, …etc.) en vue d'en
imposer le comportement. Cette prise de contrôle s'effectue par l'intermédiaire de certains signaux

15
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

(grandeurs physiques) qu’il est alors nécessaire de mesurer afin de déterminer l'action à entreprendre
sur le système.

Lorsque des perturbations ou un changement de consigne se produisent, la régulation

automatique provoque une action correctrice sur une autre grandeur physique, parmi les grandeurs
d'entrée du procédé (grandeur réglant), afin de ramener la grandeur réglée vers sa consigne initiale (cas
de perturbations) ou vers sa nouvelle consigne (cas de changement de consigne c'est-à-dire changement
de point de fonctionnement).

Les méthodes de l'automatique offrent donc la possibilité de modifier le comportement statique

et dynamique d'une grandeur physique, afin qu'elle évolue conformément aux exigences de l'application
[1][13].

Figure I.13: Présentation d'un schéma fonctionnel d'un régulateur.

I.5.2. Objectif de la régulation automatique

L'objectif d'une régulation automatique d'un procédé est de le maintenir le plus près possible de
son fonctionnement optimum, qui a été prédéfini ultérieurement par un cahier des charges (conditions
ou performances imposées).

Aussi il faut impérativement prendre en compte les aspects de protection du personnel, des
installations techniques et le respect de l'environnement. Le cahier des charges définit les critères
qualitatifs à imposer qui sont traduits le plus souvent par des critères quantitatifs, comme par exemple,
la stabilité, la précision et la rapidité [14].

16
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I.5.3. Notion de Boucle ouverte/fermée

I.5.3.1. Système boucle ouverte
Pour une variation manuelle d'amplitude finie de la commande u, on a une variation de la
grandeur à maîtriser ou à réguler.

Figure I.14: Système en boucle ouverte.

I.5.3.2. Système boucle fermée

La grandeur réglant exerce une influence sur la grandeur réglée pour la maintenir dans des limites
définies malgré les perturbations.

Figure I.15: Système en boucle fermée.

I .6. Définition de la régulation PID

Le régulateur standard le plus utilisé dans l'industrie est le régulateur PID (Proportionnel Intégral
Dérivé). Il permet de régler à l'aide de ses trois paramètres les performances (amortissement, temps de
réponse, ...) d'un processus modélisé par un deuxième ordre. Nombreux sont les systèmes physiques qui,
même en étant complexes, ont un comportement voisin de celui d'un deuxième ordre. Par conséquent,
le régulateur PID est bien adapté à la plupart des processus de type industriel et est relativement robuste
par rapport aux variations des paramètres du procédé.

Si la dynamique dominante du système est supérieure à un deuxième ordre, ou si le système contient

un retard important ou plusieurs modes oscillants, le régulateur PID n'est plus adéquat et un régulateur

17
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

plus complexe (avec plus de paramètres) doit être utilisé, au dépend de la sensibilité aux variations des
paramètres du procédé [1].

• La loi de commande du régulateur PID :

1 𝑡 𝑑𝑒
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 ∗ (𝑒(𝑡) + ∗ ∫−∞ 𝑒(𝜏). d𝜏 + 𝑇𝑑 . ) (I.1)
𝑇𝑖 𝑑𝑡

• Fonction de transfert du régulateur PID :

𝑈(𝑠) 1+𝑠𝑇𝑖 +𝑠²𝑇𝑖 𝑇𝑑
𝐺𝑐 (𝑠) = = 𝐾𝑝 (I.2)
𝐸(𝑠) 𝑠𝑇𝑖

I .6.1. Notion de correcteur PID

Sous forme d'un tableau récapitulatif, on résume les avantages et les limitations des actions de
base des régulateurs PID.

Action Points forts Points faibles

P Action instantanée Ne permet pas d'annuler une erreur statique mais permet de la réduire

I Annule l'erreur statique Action lente ralentit le système (effet déstabilisant)

Améliore la rapidité
Apporte un effet stabilisant
D Action très dynamique
Sensibilité aux bruits
Forte sollicitions de l'organe de commande
Tableau I.1: Notion de correcteur PID.

P = KR : est l'action proportionnelle. Sur la plupart des régulateurs, on règle la bande proportionnelle au
lieu de régler le gain du régulateur.

I=1/Ti :(min-1 en général) : est l'action intégrale.

D=Td :(s en général) : est l'action dérivée.

18
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

I.6.2. Structure des régulateurs électroniques

Le régulateur proportionnel intégral dérivé PID combine les trois actions décrites
précédemment ; il tire parti du présent (Proportionnel), du passé (intégrale) et du futur (dérivée).
1 𝑡 𝑑
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 (𝑒(𝑡) + ∫0 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝑇𝑑 𝑑𝑡 𝑒(𝑡)) (I.3)
𝑇𝑖

La synthèse du régulateur PID se résume aux choix des constantes Kp>0, Ti>0 et Td>0 afin de
répondre aux exigences. Son schéma fonctionnel apparait dans la figure ci-après.

Figure I.16: Schéma d’un régulateur PID mixte.

Cette forme de régulateur PID est appelée structure mixte.

Avec Ki=Kp/Ti et Kd=Kp*Td. Le régulateur PID présente la structure parallèle

𝑡 𝑑
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫0 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 𝑒(𝑡) (I.4)
𝑑𝑡

Figure I.17: Schéma d’un régulateur PID parallèle.

La loi de commande s'écrit ainsi :

𝑆(𝑠) 1
= 𝐾𝑝 (1 + + 𝑇𝑑 𝑠) (I.5)
ℇ(𝑠) 𝑇𝑖 𝑠

Il existe une troisième configuration du régulateur PID dite structure série (Figure I.17)

19
 Chapitre I : les Automates Programmables Industriels et régulation

Figure I.18: Schéma d'un régulateur PID série.

Loi de commande s'écrit de cette configuration s’écrit de la manière suivante :

𝑆(𝑠) 1
= 𝐾𝑝 ∗ (1 + ) ∗ (1 + 𝑇𝑑 𝑠) (I.6)
𝜀(𝑠) 𝑇𝑖 𝑠

I.7.Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre, l'étude des différentes composantes de l'automate
programmable industriel de la gamme S7-1200 ainsi que leurs caractéristiques. Ceci nous a permis
d'évaluer leurs importances et de constater leur rôle primordial dans la gestion des processus industriel.
Nous avons également mis l'accent sur l'importance de la régulation par utilisation des régulateurs PID.

20
 Chapitre II :

Description Logicielle de programmation : du

contrôle à la supervision
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.1. Introduction
Pour identifier notre système, le programme réalise des solutions d'automatisation en concevant
et en automatisant SIEMENS TIA PORTAL, qui comprend le système intégré de STEP7, SIMATIC
WINCC et PLC SIM.

Dans ce chapitre, nous allons montrer les résultats de la programmation automatisée de notre
système et les simulations utilisées dans ce projet à travers l'analyse fonctionnelle et la supervision.

II.2. Logiciel de programmation « TIA Portal V16 »

II.2.1. Présentation du logiciel
La plate-forme TIA (Totally Integrated Automation) Portal est la dernière évolution des logiciels
de travail Siemens qui permet de mettre en œuvre des solutions d’automatisation avec un système
d’ingénierie intégré, dans un seul logiciel cette plateforme regroupe la programmation des différents
dispositifs d’une installation. On peut donc programmer et configurer, en plus de l’automate, les
dispositifs HMI les variateurs… etc [15].

II.3. STEP 7 sur TIA portal

SIMATIC STEP 7 Basic (TIA Portal) est une version économique et allégée du logiciel pour
contrôleur STEP 7 Professional Controller Software dans le TIA Portal, pouvant être utilisé à la fois
pour l'ingénierie des microcontrôleurs SIMATIC S7-1200 et la configuration des SIMATIC HMI Basic
Panels, étant donné que WinCC Basic fait partie intégrante de l'ensemble des logiciels.

II.3.1. Vue du portal et vue du projet

Lorsque l’on lance TIA Portal, l’environnement de travail se décompose en deux types de vue
[16]:

- La vue du portal : axée sur les tâches à exécuter et sa prise en main est très rapide.

- La vue du projet : comporte une arborescence avec les différents éléments du projet. Les éditeurs requis
s’ouvrent en fonction des tâches à réaliser. Données, paramètres et éditeurs peuvent être visualisés dans
une seule et même vue.

II.3.2. Vue du portal

Chaque portail permet de traiter une catégorie de tâche (actions).

La fenêtre affiche la liste des actions pouvant être réalisées pour la tâche sélectionnée

22
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Figure II.1: Vue du portal.

II.3.3. Vue du projet

L’élément « Projet » contient l’ensemble des éléments et des données nécessaires pour mettre
en œuvre la solution d’automatisation souhaitée.

Figure II.2: Vue du projet.

23
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

• La fenêtre de travail permet de visualiser les objets sélectionnés dans le projet pour être traités.
Il peut s’agir des composants matériels, des blocs de programme, des tables des variables, des
IHM, …
• La fenêtre d’inspection permet de visualiser des informations complémentaires sur un objet
sélectionné ou sur les actions en cours d’exécution (propriété du matériel sélectionné, messages
d’erreurs lors de la compilation des blocs de programme, …).
• Les onglets de sélection de tâches sont un contenu qui varie en fonction de l’objet sélectionné
(configuration matérielle, bibliothèques des composants, bloc de programme, instructions de
programmation).
Cet environnement de travail contient énormément de données. Il est possible de masquer ou réduire
certaines de ces fenêtres lorsque l’on ne les utilise pas.

Il est également possible de redimensionner, réorganiser, désancrer les différentes fenêtres.

II.3.4. Adressage des E/S

Pour connaitre l’adressage des entrées et sorties présentes dans la configuration matérielle, il
faut aller dans « appareil et réseau » dans le navigateur du projet. Dans la fenêtre de travail, on doit
s’assurer d’être dans l’onglet « Vue des appareils » et de sélectionner l’appareil voulu [17].

Figure II.3: Adressage des E/S.

II.3.5. Les variables API

Adresses symbolique et absolue :

Dans TIA Portal, toutes les variables globales (entrées, sorties, mémentos...) possèdent une
Adresse symbolique et une adresse absolue.

24
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

1. L’adresse absolue représente l’identificateur d’opérande (I, Q, M, …) et son adresse et numéro de

bit.
2. L’adresse symbolique correspond au nom que l’utilisateur a donné à la variable (ex : Bouton
Marche). Le lien entre les adresses symbolique et absolue se fait dans la table des variables API.
Lors de la programmation, on peut choisir d’afficher les adresses absolues, symboliques ou
encore les deux simultanément.

II.3.6. Types de variables utilisées en STEP7

Il existe plusieurs types de variables distinctes dans le step7, ces variables sont déclarées
préalablement avant chaque début de programme. Le tableau suivant réunit ces différentes variables :

TYPE TAILE

Bool 1 bit

Real 32 bits

Int 16 bits

Byte 8 bits

Word 16 bits

DWord 32 bits

DInt 32 bits

Char 8 bits

Time 32 bits

S5Time 16 bits

Date 16 bits

Time of Day 32 bits

Tableau II.1: Types de variables utilisées en step7 [18].

25
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.3.7 Configuration de l’API S7-1200

Les étapes ci-dessous montrent comment créer un projet pour SIMATIC S7-1200

1. Les programmes pour SIMATIC S7-1200 sont gérés sous forme de projets. Nous allons
maintenant créer un nouveau projet via la vue portail (« Créer un projet > Nom : Régulation_
Niveau > Créer »).

Figure II.4: Créer un projet.

2. « Mise en route » est recommandée pour le début de la création du projet.

Premièrement, nous voulons « Configurer un appareil » (« Mise en route > Configurer un
appareil »).

Figure II.5: Configurer un appareil.

26
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

3. Puis « Ajouter un appareil » avec le nom d’appareil : Régulation_ Niveau. Choisissez alors
dans le catalogue la « CPU 1215C DC/DC/DC » avec la bonne combinaison de lettres derrière.
« Ajouter un appareil > SIMATIC PLC > CPU 1215C DC/DC/DC > 6ES7 215-1AG40-0XB0
>Ajouter »).

Figure II.6: Ajouter un appareil.

4. Afin que le logiciel puisse accéder dans la suite à la bonne CPU, son adresse IP et le masque
de sous-réseau doivent être paramétrés (« Propriétés > Général > Interface PROFINET >
Adresses Ethernet > Adresse IP : 192.168.0.1 et Masq. S/rés. : 255.255.255.0 »).

Figure II.7: Ajouter un appareil.

27
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

5. Création d’un bloc de données DB contient les paramètres effectifs et les données statiques de
notre programme. La figure suivante représente un bloc de données DB1 :

Figure II.8: Bloc de donnée DB1.

6. Création de la fonction FC1 appelée (commande pompe) ce qui montre comment la pompe
marche et s’arrête, ainsi que le mode de contrôle est automatique ou manuel à l’aide de la
bascule SR.

28
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Figure II.9: Commande d’une pompe à l’aide de la bascule SR.

7. Glisser cette fonction FC1 dans le programme principal (la main)

Figure II.10: La fonction FC1.

8. Création de la fonction FC2 appelée (analogique)

- Le réseau1 pour la normalisation des signaux analogiques (consigne et mesure),
conversion analogique Int (4-20mA) to Real.
- Le réseau2 pour convertir la valeur de PID de Real to Int.

29
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Figure II.11: Normalisation des signaux analogique.

9. Glisser cette fonction FC2 dans le programme principal (la main)

Figure II.12: La fonction FC2.

10. Création d’un régulateur PID qui comporte deux entrées (consigne et mesure niveau) et une
sortie (valeur de PID).

30
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Figure II.13: Création d’un PID.

11. Le démarrage de la simulation et faire la liaison entre le PC et PLC, charge le programme dans
PLC.

Figure II.14: Démarrage de simulation.

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Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.4. SIMATIC WinCC Comfort

WinCC (Windows Control Center), est le logiciel qui permet de créer une Interface Homme
Machine (IHM) graphique, qui assure la visualisation et le diagnostic du procédé. Il permet la saisie,
l’affichage et l’archivage des données, tout en facilitant les tâches de conduite et de surveillance aux
exploitants. Il offre une bonne solution de supervision, car il met à la disposition de l’opérateur des
fonctionnalités adaptées aux exigences d’une installation industrielle [14].

Figure II.15: Fenêtre du travail dans le WinCC.

Nous distinguons sur cette figure :

➢ La zone de travail
➢ La boite d’outils
➢ La fenêtre de projet
➢ La fenêtre des propriétés
a) La zone de travail : C’est dans cette zone où se fait la construction des différentes vues du
projet.
b) La boite d’outils : Cette zone nous offre la possibilité d’importer les éléments de base
nécessaires pour la création des vues (bouton, champ graphique, champ de texte, …etc.).
c) La fenêtre de projet : Elle affiche la structure du projet, on peut à partir de cette zone créer
des vues, des variables configurées et des alarmes.
d) La fenêtre des propriétés : Elle permet de charger ou de modifier les propriétés d’un objet
sélectionné dans la zone de travail.

32
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.5. Configurer une vue IHM

Les étapes ci-dessous montrent comment configurer une vue IHM

1. Sur la page d’accueil de TIA Portal, on choisit la visualisation en cliquant sur configurer une
vue IHM.

Figure II.16: Configurer une vue IHM.

2. On choisi le pupitre l’IHM SIMATIC Panel KTP700 Basic PN.

Figure II.17: Choisit le pupitre.

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Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Notre projet on a configuré 3 vues :

➢ 1ère vue : vue système

➢ 2ème vue : vue paramètres
➢ 3ème vue : vue courbes
La vue système est la vue principale, qui a deux modes, manuel et automatique.

a) La figure suivante représente la vue de notre système en mode manuel et la pompe est éteint
(stop)

Figure II.18: Vue système en mode manuel et la pompe est éteint.

b) La figure suivante représente la vue de notre système en mode manuel et la pompe en marche

Figure II.19: Vue système en mode manuel et la pompe en marche.

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Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

c) La figure suivante représente la vue de notre système en mode automatique

Figure II.20: Vue système en mode automatique.

La figure suivante représente la vue des paramètres du système :

1. Paramètres de réservoir :

➢ Echelle minimale
➢ Echelle maximale
2. Paramètres de PID :

➢ La consigne (SP)
➢ La mesure (PV)
➢ La correction de PID (CV)
➢ Proportionnel (Kp)
➢ L’intégrateur (Ki)
➢ Dérivateur (Kd)

35
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Figure II.21: Vue des paramètres.

La figure suivante représente la vue des courbes du système :

➢ Courbe de la commande (CV)
➢ Courbe de la consigne (SP)
➢ Courbe de la mesure (PV)

Figure II.22: Vue des courbes.

36
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.6. Modélisation et simulation du système

Dans cette section, nous discuterons de la modélisation du système composé du réservoir d'eau.

Nous pouvons effectuer une simulation sous Matlab/Simulink pour vérifier le modèle. Ce modèle nous

aidera à choisir les paramètres de contrôle PID dans l'expérience.

Modélisation du système Les symboles suivants sont définis :

• H : hauteur réelle
• 𝐻0 : hauteur souhaitée
• A : Zone transversale du réservoir d'eau
• a : Zone transversale du tuyau
• 𝑞𝑖𝑛 : Dans débit du réservoir d'eau, supposé constant
• 𝑞𝑜𝑢𝑡 : Sortie du débit du réservoir d'eau
• g : Accélération de la gravité
• 𝑘1 : Vanne coefficient proportionnel
• 𝑘2 : Coefficient proportionnel de flux à la hauteur désirée (𝐻0 )

Les significations physiques des symboles du système de réservoir d'eau sont illustrées ci-avant. On
note que A, a, 𝑞𝑖𝑛 et g sont des paramètres invariants dans le temps, et 𝑞𝑜𝑢𝑡 est lié à la valeur actuelle
de la vanne de régulation.

Alors, selon la loi de conservation de la masse, la hauteur réelle est égale à la masse totale de flux
d'informations en lui soustrait la masse totale en sortie.

Par conséquent, les équations qui viennent montrent la relation entre ces trois paramètres. La sortie peut
être calculée comme suit :

𝜕
𝐴 𝜕𝑡 𝐻 = 𝑞𝑖𝑛 − 𝑞𝑜𝑢𝑡 (II.1)

𝑞𝑖𝑛 = 𝑘1 𝑎 √2𝑔𝐻 (II.2)

Figure II.23: Système de réservoir d'eau.

37
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

Cependant, autour de la hauteur désirée, l'équation de sortie peut être linéarisée sous forme de modèle
linéaire, qui peut être réécrit approximativement comme suit :

𝑞𝑜𝑢𝑡 𝐾1 𝑎
2𝑔𝐻
≈
√2𝑔𝐻0
= 𝐾2 (II.3)

𝑞𝑜𝑢𝑡 = 𝐾2 2𝑔𝐻 (II.4)

Ensuite, en substituant les équations données auparavant, le modèle du système est généré
comme suit :

𝜕
𝐴
𝜕𝑡
𝐻 = 𝑞𝑖𝑛 − 𝐾2 2𝑔𝐻 (II.5)

Le coefficient de valve est proportionnel à la position de la vanne et égal au courant réel de la vanne
sur la valeur maximale du courant de la vanne. En prenant K1 et K2 dans les équations précédentes, le
modèle du système peut être représenté par le courant réel Iact et la hauteur réelle H. L'équation est
écrite sous forme suivante. Les valeurs de chaque paramètre sont indiquées dans le tableau ci-après.

𝜕
𝜕𝑡
𝐻 = 𝐶1 𝑞𝑖𝑛 − 𝐶2 𝐼𝑎𝑐𝑡 𝐻 (II.6)

1 2𝑔𝑎
Où, les constantes C1 et C2 peuvent être calculées par 𝐶1 = 𝐴 et 𝐶2 =
√2𝑔𝐻0 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐴

Résultat de la simulation. Le modèle Simulink est construit comme indiqué dans la Figure II.17 et la
Figure II.18. Le modèle Simulink se compose de deux parties : le programme principal et un sous-
système qui est le modèle du réservoir d’eau

Paramètres Valeur Unités

A 78.5 Cm²
a 1.25 Cm²
H0 40 Cm
qin 40 Cm3/sec
G 1000 Cm/sec²
Tableau II.2: Paramètres

La hauteur désirée est représentée par un signal échelon. L'erreur entre la hauteur désirée et
celle réelle, qui est représentée par e(t). Le jeu des gains et le paramétrage du contrôleur PID est
effectué d'une manière empirique. Cependant, le contrôleur PID calcule un signal de commande u(t)
sur la base de e(t). Ensuite, le signal de commande u(t) est appliqué au système défini par un réservoir
d'eau montré sur la figure suivante. Dans le ce système, le bloc de gain représente le paramètre C2.
Étant donné que l'entrée qin et la surface transversale du réservoir d'eau A sont constants, le rapport
qin/A est défini comme un nombre dans un marquage de bloc de fonction constante. Le résultat de la
vue d'ensemble de la simulation est illustré à la Figure ci-après.
Sur la Figure II.19, on peut voir que la hauteur réelle augmente avec une pente constante parce que le

38
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

système est sous le processus de remplissage sans action de canalisation. Pour le jeu de paramètres du
contrôleur PID, la durée du remplissage du réservoir est de 20 sec environ. D'après le résultat de la
simulation, nous pouvons voir que le contrôleur PID fonctionne très bien, et le but final est atteint.

Figure II.24: Modèle Simulink du système de réservoir d'eau.

Figure II.25: Modèle Simulink du contrôle PID appliqué au réservoir d'eau.

Figure II.26: Résultats de simulation du contrôle PID appliqué au réservoir d'eau.

39
Chapitre II : Description Logicielle de programmation : du contrôle à la supervision

II.7. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons décrit le processus de création d'un programme TIA PORTAL V16.
Les blocs STEP 7 SIM, SIMATIC WINCC et API SIM, disponibles et sont implémentés dans notre
console S7-1200.

La partie IHM nous permettra de contrôler notre unité et de bien comprendre les capacités de notre
système et le langage auquel la programmation de l'automate est connectée.

40
 Chapitre III :

Composantes matérielles utilisées pour la

conception du système de contrôle du
niveau d'eau
 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

III.1. Introduction
En tant qu'ingénieur en automatisation, on a tendance à avoir une vue systématique des systèmes
et des processus de niveau d'eau. Notre objectif est d'automatiser et de standardiser ces systèmes pour
augmenter la productivité, améliorer la qualité et la sécurité.

Dans ce chapitre, nous définirons les différents types de matériels à utiliser ainsi que les
composants qui composent notre système et leurs caractéristiques.

III.2. Panneau de formation API S7-1200 (CPU 1215C, KTP 700)

La figure suivante représente le panneau de formation API S7-1200 sur laquelle nous avons
travaillé au laboratoire.

Figure III.1: Panneau de formation API S7-1200.

Ce dernier est composé de :

• API SIEMENS SIMATIC S7-1200 (CPU 1215C PN) : 14DI, 24V DC/10DO, 24V DC,
0.5A/2AI, 0-10V DC/2AO, 0-20mA
• MODULE COMMUTATEUR COMPACT SIEMENS : 5 X RJ 45
• MODULE D'ALIMENTATION SIEMENS SIMATIC S7-1200 : 120/230 V CA, 24 V
CC, 2,5 A.
• IHM SIEMENS SIMATIC KTP700 avec connexion PROFINET
Le panneau comprend :

- 8 interrupteurs (rémanents et impulsionnels) pour simulation DI et 8 douilles de sécurité 4 mm

pour DI externe
- 8 douilles de sécurité de 4 mm et LED d'état pour DO

42
 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

- 2 potentiomètres pour simuler les entrées des canaux analogiques dans la plage 0V DC...+10V
DC
- 2 interrupteurs ON/ON/ON pour la sélection de la source AI (simulé via potentiomètre/
connecteur analogique SYSLINK / douilles de sécurité 4mm)
- 2 paires de douilles de sécurité de 4 mm pour les signaux AI externes
- 2 paires de douilles de sécurité 4 mm pour les signaux AO
- 1 paire de douilles de sécurité de 4 mm pour l'alimentation d'équipements externes via une sortie
24VDC
- 1 x connecteur numérique SYSLINK pour DI/DO (A)
- 1 x connecteur analogique SYSLINK (DB15) pour AI/AO (C)
- Prise d'alimentation avec interrupteur général et indicateur LED
- 1 paire de douilles de secours 4mm
- Prise Ethernet
- DIMENSIONS (L x H x P) : 532 x 297 x 170 mm
- Poids net : 3,35 kg
- LE PACKAGE COMPREND ÉGALEMENT : Câble d'alimentation, câble Ethernet, manuel
d'utilisation.
- RECOMMANDÉ : Interrupteur, Câbles de connexion de sécurité 4 mm, TIA Portal –
SIEMENS [19].
III.3. Le CPU 1215C DC/DC/DC
La figure suivante représente le CPU 1215C DC/DC/DC

Figure III.2: CPU 1215C DC/DC/DC.

43
 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Description de notre CPU :

Série SIMATIC S7-1200 avec CPU 1215C, alimentation 24VDC, 14 entrées 24VDC, 10 sorties
transistor, 2 entrées analogiques et 2 sorties analogiques 0...10V et la possibilité d'installer 8 extensions
supplémentaires.

N° de catalogue : 6ES7 215-1AG40-0XB0 [20].

Informations techniques :

- Alimentation : 24 VDC
- Entrées numériques : 14x 24VDC (3 peuvent fonctionner comme compteurs rapides)
- Sorties numériques : 10x sorties transistor
- Entrées analogiques : 2x 0...10VDC (résolution 10 bits)
- Sorties analogiques : 2x 0...20mA (résolution 10 bits)
- Mémoire : 100 Ko
- Programme utilitaire : Step 7 Basic (CONT, LOG)
- Compteurs rapides : max 3 (100kHz)
- Régulateur PID avec réglage automatique
- Ethernet intégré - PROFINET
- Extensions de communication : RS-232, RS-485[20].
III.4. Alimentation rail DIN Siemens SIMATIC PM 1207
La figure suivante représente l’alimentation SIMATIC PM 1207

Figure III.3: SIMATIC PM 1207.

44
 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Informations techniques :

- Type : Alimentation de coupure

- Tension d'entrée : 85 - 132 ou 176 - 264 V/DC
- Courant de sortie (max) :2.5 A
- Courant de sortie (max) – arrondi : 2.5 A
- Phases : 1
- Nombre de sorties : 2 x
- Dim: (l x H x P) 70 x 100 x 75 mm
- Poids : 0.3 kg
- Profondeur : 75 mm
- Hauteur : 100 mm
- Largeur : 70 mm
- Connexion : borne à vis
- Référence fabricant : 6EP1332-1SH71
- Type: SIMATIC PM 1207 24 V/2,5 A
- Tension d'entrée nominale : 115 V/AC, 230 V/AC
- Tension d'entrée (max) : 264 V/AC
- Tension d'entrée (min) : 85 V/AC
- Tension de sortie maximale : 24 V/DC
- Tension de sortie minimale : 24 V/DC
- Tension de sortie (nom) : 24 V/DC
- Puissance : 60 W
- Connexions : Borniers à vis
- Tension de sortie : 24 V/DC
- Courant de sortie (détails) : 2,5 A
- Température max : +60 °C
- Température min : 0 °C
- Type de produit : Alimentation rail DIN [21].

III.5. Siemens SCALANCE XB005

Le SCALANCE XB005 possède cinq connecteurs femelles RJ45 pour la connexion d'équipements
terminaux ou d'autres segments de réseau [22].

45
Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Figure III.4: SCALANCE XB005.

La figure suivante représente Caractéristiques techniques du SCALANCE XB005

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Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

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 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Figure III.5: Caractéristiques techniques du SCALANCE XB005 [22].

III.6. IHM SIEMENS SIMATIC KTP700 PN

La figure suivante représente l’écran IHM KTP700 Basic PN

Figure III.6: IHM SIEMENS SIMATIC KTP700 Basic PN.

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 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Description de l’écran :

C’est un écran TFT, 800*480 pixels, 64k couleurs, commande par touches et tactile, 8 touches
de fonction, 1*PROFINET, 1*USB [23].

Fiche de données :

- Conception de l’affichage: TFT widescreen display, LED backlighting

- Diagonale de l'écran : 7 in
- Nombre de couleurs : 65 536
- Résolution d'image horizontale : 800 Pixel
- Résolution d'image verticale : 480 Pixel
- Les touches de fonction : 8
- USB interfaces: 1; Up to 16 GB
- Écran tactile: OUI
- Position de montage : Horizontal, vertical
- Ethernet interfaces : 1
- Tension d'entrée : 24 VDC [23].
III.7. Partie réalisation

Figure III.7: Vue du système de niveau d’eau.

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Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

Figure III.8: Vue des composants utilisées.

1. Disjoncteur (protection de moteur)

2. Protection de phase
3. Protection de neutre
4. Variateur de vitesse ABB
5. CPU 1215C DC/DC/DC
6. IHM KTP700 Basic PN
7. Sorties analogiques
8. Entrées analogiques
9. Sorties numériques
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 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

10.Entrées numériques
11.Commande RUM de variateur de vitesse
12.Bouton start
13.Bouton arrêt
14.Commutateur pour inverse le sens de rotation
15.Commutateurs pour varier la vitesse

III.8. Résultats obtenir

Figure III.9: Vue des courbes de PID.

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 Chapitre III : Composantes matérielles utilisées pour la conception du système de contrôle du
niveau d'eau

III.9. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons avions effectué une description détaillée du panneau de formation
API S7-1200 sur lequel nous avons travaillé tout en balayant ses principaux composants (CPU 1215C,
PM 1207, SCALANCE XB005, KTP700) et leurs propriétés et leurs caractéristiques...

52
 Conclusion Générale

BibliographieConclusion Générale

Bibliographie

AnnexeBibliographieConclusion Générale

BibliographieConclusion Générale
 Conclusion Générale
Conclusion Générale

Au cours de ce projet de fin d'études, ayant comme objectif le contrôle et supervision d'un
système de niveau d'eau, avec un automate industriel programmable de type SIEMENS SIMATIC HMI,
associé à un écran tactile. Nous avons eu l'opportunité d'enrichir nos connaissances en matière de gestion
de niveau notamment avec l'emploi des contrôleurs PID, de l'actionneur et le variateur de vitesse qui
commande la pompe à débit variable et qui régule à son tour le niveau. On a appris à programmer une
machine. API SIEMENS SIMATIC S7-1200, de plus nous avons appris à travailler sur le logiciel TIA
Portal V16, et à faire de la supervision et de la simulation à l'aide du logiciel SIMATIC WINCC intégré
dans TIA Portal.

Ensuite, nous avons proposé la solution de contrôle numérique et de contrôle analogique par un
correcteur PID intégré. L'efficacité de la solution proposée a été démontrée en simulation à l'aide du
logiciel TIA Portal V16 de Siemens.

Dans la dernière partie, nous avons développé une plateforme de monitoring basée sur SIMATIC
WINCC intégré dans logiciel TIA Portal. Cette plateforme permet à l'opérateur de suivre le
fonctionnement du procédé physique et d'intervenir en cas de panne voire la modification des conditions
de fonctionnement.

Enfin nous pouvons dire que ce travail n'a pas été facile parce que nous avons rencontré
beaucoup de problèmes durant sa réalisation, mais nous avons réussi à le réaliser grâce à notre volonté.

En perspective, nous espérons qu'il y aura plus de travail pratique sur ce sujet pour les mises à
niveau dans les années à venir

54
Bibliographie
 Bibliographie

Bibliographie

[1] SEKHSOKH. S, OUKILI. K « ÉTUDE D’UNE BOUCLE DE RÉGULATION DE NIVEAU :

IMPLÉMENTATION DU RÉGULATEUR ET RÉGLAGE DU PROCÈDE » Projet de fin d’étude,
2010/2011.

[2] ANDRE. S, Automates programmable, programmation, automatisation, et logique programmée,

Edition L’ELAN, 1983.

[3] “Sommaire des cours”. Siemens, centre de formation industrie, édition 2000.

[4] BERGOUGNOUX.L., “API automate programmable industriel”. Poly Tech Marseille, Édition
2004-2005.

[5] GRARE.P & KACEM.I., “AUTOMATISME Ce qu’il faut s’avoir sur les automatismes ». Edition
ellipses, 2008.

[6] MICHEL. G, Les API, Architecture Et Application Des Automates Programmables. Industriels.
Dunod, Paris, [1987].

[7]https://www.usinenouvelle.com/expo/simatic-s7-1200-controleur-modulaire-p196958.html,
consulté le : 15/04/2022

[8]https://www.google.com/search?q=definition+d%27un+automate+s7-
1500&oq=definition+d%27un+&aqs=chrome.2.69i57j35i39l2j0i512l7.13644j0j15&sourceid=chrome
&ie=UTF-8, consulté le : 15/04/2022

[9] 01 1200 Initiation au programme du SIMATIC S7-1200.pdf

[10] Automatisation et supervision de l'unité de traitement des eaux par osmose inverse du complexe
CEVITAL via le logiciel TIA portal v13 de SIEMENS.pdf

[11] Automatisation et supervision d’une station de Thermolaquage par un automate S7-1200

complet.pdf

[12] Automate programmable S7-1200 Manuel système, V4.3.0 02/2019, A5E02486682-AM

[13] « COURS AUTOMATIQUE » École polytechnique fédérale de Lausanne, 2008/2009.

[14] PATRICK PROUVOST « AUTOMATIQUE CONTROLE ET REGULATION COURS ET

EXERCICES CORRIGES » DUNOD (2004).

[15] ALAIN GONZAGA « Les automates Programmables Industriels ». PDF

 Bibliographie

[16] Automatisation et supervision d’une station de Thermolaquage par un automate S7-

1200 complet.pdf

[17] Commande_d'un_système_pneumatique_didactique_par.pdf

[18] SIEMENS, « S7-1200_System_Manual », Numéro de référence du document :

A5E02486682-AG 03/2014

[19] https://astiautomation.com/product/plc-s7-1200-training-panel-cpu-1215c-ktp-700, consulté le :

06/06/2022.

[20] https://consteel-electronics.com/S7-1200-6ES7215-1AG40-0XB0-en, consulté le : 06/06/2022

[21]https://www.conrad.fr/p/alimentation-rail-din-siemens-simatic-pm-1207-24-v25-a-24-vdc-25-a-
60-w-2-x-513085, consulté le : 07/06/2022

[22] SCALANCE XB-000 Instructions de service, 07/2014, A2B00077300-04

[23]https://www.plc-city.com/shop/fr/siemens-simatic-hmi-basic-panels-2nd-generation/6av2123-
2gb03-0ax0.html, consulté le : 07/06/2022
Annexe
 Annexe

1- La plaque signalétique de variateur de vitesse ABB :

2- La plaque signalétique de la pompe:

3- Le capteur de pression:

Chaque 1V nous donne 150Pa.

I
 Annexe

4- La dimension du réservoir:

𝑭
𝑷=
𝑺

Avec: F=V*g

S=35*34=11.9𝑚2

V=35*34*55=654.5𝑚3

654.5∗9.807
Donc : 𝑷 = ≈ 540𝑃𝑎 = 0.005𝑏𝑎𝑟
11.9

Avec :

P : La Pression ; V : Le Volume

F : La Force ; g : la gravité

S : La Surface

II
 Résumé
Le but de ce projet de fin d'études est la surveillance et le contrôle du niveau d'eau au moyen
d'un correcteur numérique de type PID, avec un automate programmable de SIEMENS
SIMATIC S7-1200 disponible au Laboratoire d'Automatique du Département de Génie
Electrique. Cependant la programmation d'automate, le contrôle et la supervision via l'écran de
contrôle d'IHM. Dans ce système on emploi le TIA Portal v16 qui contient Step7 et SIMATIC
WINCC.

Mots clés :

Automatiser, contrôle de niveau d’eau, API, Siemens, S7-1200, step7, Simatic WINCC, IHM,
TIA PORTAL V16.

Abstract
The purpose of this end-of-study project is the monitoring and control of the water level by
means of a PID digital corrector, with a SIEMENS SIMATIC S7-1200 programmable
controller available at the Automation Laboratory of the Department of Electrical Engineering.,
we started PLC programming, supervision and control via HMI control screen in This system
uses TIA Portal v16 which contains Step7 and SIMATIC WINCC.

Key words:

Automate, regulate water level, PLC, Siemens, S7-1200, step7, Simatic WINCC, HMI, TIA
PORTAL V16.

‫الملخص‬
‫ مع‬،PID‫الهدف من مشروع نهاية الدراسة هذا هو اإلشراف على مستوى المياه والتحكم فيه عن طريق المصحح الرقمي‬
‫ متوفرة في مختبر األتمتة التابع لقسم الهندسة‬SIEMENS SIMATIC S7-1200 ‫وجود وحدة تحكم قابلة للبرمجة‬
TIA ‫ في هذا النظام باستخدام برنامج‬IHM ‫ واإلشراف والتحكم عن طريق شاشة تحكم‬PLC ‫ وقد بدأنا برمجة‬،‫الكهربائية‬
.SIMATIC WINCC‫ و‬Step7 ‫ الذي يحتوي على‬Portal v16

:‫الكلمات المفتاحية‬

TIA Portal V16، IHM، Simatic WINCC، Step7، S7-1200، Siemens،API ،‫ تنظيم مستوى المياه‬،‫أتمتة‬