Automate Programmable : 15 éléments de puissance commandés par ordinateur !

1. Origines du système :

Lors des cours de lycée suivis entre 2003 et 2005 en section Electrotechnique au lycée François Bazin de Charleville-Mézières (08), une partie des travaux pratiques consistait à devoir cabler des éléments dans le but de piloter des systèmes tels des montes charges, malaxeurs ou autres via des automates programmables. Il s'agissait alors de systèmes vendus et disponibles dans le commerce, déjà prêts à être raccordés mais ne permettant de piloter que des éléments peu gourmands en énergie (quelques centaines de Watt seulement).

Passioné depuis toujours par l'électricité et par l'électronique, l'idée de départ consistait donc à imaginer un automate via lequel il serait possible de piloter des éléments beaucoup plus gourmands en énergie (de l'ordre de plusieurs millers de Watts). Il fallait également prévoir un moyen de programmation pour gérer le pilotage des différentes entrées et sorties du système via notamment un ordinateur en plus d'un mode manuel.

Elaboré et assemblé entre 2004 et 2006, ce système est le plus complexe de mes différentes réalisations. Il a nécessité de nombreuses journées et nuits de réflexion et de conception dans un premier temps puis de montage et d'assemblage par la suite.

Tout a été prévu et anticipé avant de démarrer les premières opérations (étude de faisabilité, de coût, matériel nécessaire...). Après une longue période de conception, la phase de montage a démarrée et à permis de confirmer la réalisation du projet.

2. La conception et le choix du matériel :

Après avoir étudié différentes possibilités pour l'installation du dispositif et étant donné que celui-ci devait être facilement transportable pour applications diverses et variées, l'utilisation d'une valise est vite apparue comme le meilleur choix. La première difficulté consistait donc à trouver une valise suffisament grande pour y placer les différents éléments. La valise devait être également facilement modifiable (perçages...), être assez solide et conserver sa stabilité après modifications. Le choix s'est donc orienté vers une valise de type DJ en aluminium étant donné qu'elle réunissait toues les caractéristiques attendues.

Les éléments à fixer sur la valise se classaient en deux catégories : les composants utilisables depuis l'extérieur à intégrer sur les parois externes de la valise et ceux permettant le fonctionnement à placer à l'intérieur. Pour les fixations extérieures, de simples lots de vis-rondelles-écrous ont suffit mais pour la partie intérieure, plusieurs difficultés ont été rencontrées. Fixer les éléments internes directement sur la paroi extérieure n'aurait pas permis d'avoir des fixations stables. De plus, cela aurait empêché la superposition de plusieurs éléments (perte de place) et aurait dégradé l'aspect visuel extérieur (multitude de fixations visibles). Pour remédier à ces difficultés, une platine en acier était nécessaire. Ainsi, il devenait possible de fixer n'importe quel composant dans le sens souhaité

via l'utilisation de prisonniers (modularité). La superposition devenait également très simple et restait efficace grâce à des systèmes d'entretoises (réglages en hauteur via des tiges filetées et écrous d'arrêts). Ainsi, une platine en acier a été découpée au lazer dans une entreprise de métallurgie Ardennaise (précision élevée et qualité finale très soignée) puis après un traitement thermique de surface (bichromatage), celle-ci à pu être installée dans le fond de la valise à l'aide de 4 vis-écrous seulement.

Coté extérieur, les différents composants nécessaires à la réalisation de l'automate correspondaient à 15 chassis de prise pour les entrées (visibles en noir à l'arrière de la valise) ainsi que 15 prises de courant standards pour les sorties (3 blocs de 5 prises visibles sur le dessus de la valise). Le nombre d'entrées aurait pu être diminué mais le choix du même nombre d'entrées à été fait dans le but de pouvoir commuter des tensions et intensités différentes sur chaque circuit. Les 15 circuits sont donc totalement indépendants et sont gérés de manière distincte. En ce qui concerne les commandes et les voyants, différents interrupteurs principaux et secondaires ont été nécessaires afin de pouvoir interagir avec le système : sélection de commandes par programme ou en mode manuel (forcé à la marche où à l'arrêt). De la même manière, différents supports de diodes et diodes électro-luminescentes devaient être installés pour controler en temps réel le statut de chacune des 15 prises. Enfin, il fallait également tenir compte d'éventuels échauffements de circuit et/ou de l'air présent à l'intérieur de la valise. Pour cela, un disjoncteur thermique (système sans fusible pour être en mesure de réarmer à souhait) a été prévu ainsi qu'une grille d'aération. Toute montée en température était donc prévenue. Un ventilateur était également en cours de réflexion mais son besoin n'a pas été jugé nécessaire lors des premières utilisations du système.

Coté intérieur, fixé sur la platine, on devait retrouver le coeur du système : différentes cartes électroniques avec une connexion pour un ordinateur et une carte mémoire pour un éventuel fonctionnement en mode autonome (stand-alone). Il était également indispensable d'avoir un moyen de protéger les connexions de l'ordinateur afin d'être sûr de ne pas endommager ce dernier par un éventuel retour de données ou faux contact (carte mère...). Après quelques recherches, le choix s'est porté sur différentes cartes électroniques vendues en kit à souder et à connecter, dont principalement :

• La carte Velleman K8000 : C'est la carte principale qui est connectée à l'ordinateur via le port parallèle (port des anciennes imprimantes, de moins en moins utilisé). Cette carte est l'élément principal du dispositif. Elle permet le dialogue entre l'ordinateur et les différentes prises de courant. Différentes entrées et sorties sont disponibles en mode analogique et/ou numérique. Grace à ces dernières, il est possible de piloter simplement des relais (ce qui est le cas ici) mais aussi d'acquérir des données via une sonde par exemple et/ou encore de gérer la vitesse d'un moteur électrique via un variateur. Ainsi, on pourrait très bien imaginer un système qui modifie la vitesse de rotation d'un moteur en fonction de différents paramètres comme la température, un paramètre utilisateur... Les possibilités sont très nombreuses et variées. De plus, les connexions avec l'ordinateur sont protégées (via des optocoupleurs) évitant tout risque d'endommagement de ce dernier.
   
• La carte Velleman K8001 : C'est la première à raccorder à la carte K8000 dont l'objectif consiste à mémoriser un programme envoyé par l'ordinateur via le port parallèle de la carte principale. Ainsi, grâce à elle, il devient possible de déconnecter le système de l'ordinateur et d'obtenir un fonctionnement complètement autonome appelé stand-alone.
   
• La carte Velleman K6714 : C'est la seconde carte à raccorder à la carte K8000 permettant de gérer la puissance via des relais plus importants. Des micros relais sont déjà présents sur la carte K8000 mais ces derniers ne permettent pas la commutation de courants élevés. Ainsi, en utilisant cette carte, des relais de puissance se déclenchent en fonction du statut des micros relais de la carte K8000. Les courants à commuter peuvent donc être beaucoup plus puissants, ce qui est nécessaire ici.

En soudant les différents composants puis en reliant les deux cartes K8000 et K6714, il devient donc possible de créer une interface complète et de piloter par ordinateur les 15 prises de courants. Grâce notamment à la carte de relais de puissance, il est possible dans le cas ici, de gérer des puissances de près 3500 Watt par prise de courant via un simple clic à l'écran de l'ordinateur. Enfin, via un programme sauvegardé dans la carte mémoire K8001, il est possible de déconnecter la carte K8000 de l'ordinateur et de laisser l'interface gérer les opérations de manière autonome.

3. La réalisation en quelques étapes :

Après achats et réceptions des différents éléments, la phase de réalisation a pu démarrer. A raison d'environ deux jours par semaine à temps plein, les opérations de montage ont pu avoir lieu en quelques mois. Essentiellement, on peut décomposer la réalisation en 5 étapes principales :

• Etape n°1 : L'installation des premiers éléments sur la valise :
  • Boutons principaux de commandes, sur la partie supérieure) :
    • Voyant blanc indiquant la présence de source électrique
    • Interrupteur à clef pour verrouiller l'accès lorsque la valise est mise hors tension
    • Commutateur général de démarrage et arrêt
    • Voyants rouge et vert indiquant l'état de l'alimentation électrique
  • Source électrique générale de la valise, sur le coté gauche :
    • 1 chassis de prise pour l'arrivée électrique intégrant la prise de terre (valise en aluminium)
    • Le disjoncteur thermique assurant la protection du système et réarmable d'un simple appui (pas de fusible)
  • Entrées et sorties du système :
    • 15 chassis de prise pour les entrées électriques sur l'arrière de la valise
    • 3 blocs de 5 prises de courant pour les 15 sorties correspondantes sur la partie supérieure, à droite des boutons principaux
  • Grille de ventilation, sur la face de la valise :
    • Découpage et fixation près de la poignée pour éviter toute surchauffe à l'intérieur de la valise
       
• Etape n°2 : Soudure et assemblage des cartes et composantes électroniques :
  • Soudure des différentes cartes décrites ci-dessus : K8000, K8001 et K6714.
    • Boutons de pilotage et diodes électroluminescences déportées (éléments non soudés directement sur les cartes)
    • Réalisation de quelques tests pour assurer le bon fonctionnement (entrées / sorties, numériques / analogiques...)
  • Soudure des éléments annexes pour l'indication du fonctionnement ou non des 3 cartes :
    • 3 petits modules de transformation (situés en plein centre de la platine, à gauche de la carte mémoire)
  • Organisation des différentes cartes et modules sur la platine bichromatée :
    • Ajustements des entretoises pour la superposition des cartes électroniques
    • Etriers et prisonniers pour la fixation ainsi que la visserie (petits écrous, rondelles...)
       
• Etape n°3 : Installation des derniers élements sur la valise :
  • Boutons d'alimentation des cartes et diodes électroluminescentes sur la partie supérieure de la valise :
    • 3 boutons à 2 positions (marche / arrêt) situés, au dessus du commutateur principal Marche / Arrêt
    • 3 diodes électroluminescentes (états des cartes), en dessous du commutateurprincipal Marche / Arrêt
  • Boutons de pilotage des sorties du système, toujours sur la partie supérieure de la valise, à l'extrémité gauche :
    • 15 boutons à 3 positions (marche forcée / commande par le programme / arrêt forcé) pour contrôler chaque sortie
  • Diodes électroluminescentes sur la partie avant de la valise :
    • 15 supports de diodes électrolumiescentes pour visualiser l'état de chacune d'elle communiqué par le programme
  • Diodes électroluminescentes sur la partie supérieure de la valise :
    • 15 supports de diodes électrolumiescentes pour visualiser l'état de chacune d'elle en fonction de chaque bouton correspondant
       
• Etape n°4 : Raccordements des différents éléments et déports des connexions à la carte principale :
  • Soudure des connexions en provenance des cartes électroniques :
    • Boutons et diodes électroluminescentes déportées lors de l'étape de soudure des composants sur les cartes
  • Réalisation des connexions entre les entrées (chassis de prises à l'arrière) et prises de courant (en partie supérieure) :
    • Connexions réalisées via les borniers soudés sur les cartes et à l'aide de cosses pour le raccord aux chassis
  • Déport des connexions parallèles de la carte principale sur la partie gauche de la valise :
    • Chassis fixés permettant la connexions entre l'ordinateur et la carte sans avoir à ouvrir la valise
  • Regroupement des différents fils et autres connexions :
    • Ajout de gaines (serre-cables) pour le côté sécurité et soigné
       
• Etape n°5 : Tests des équipements et développement des programmes de gestion :
  • Essais des différentes cartes et des différents modes de pilotage (manuel / automatique) :
    • Tests concluants du premier coup et différents modes de pilotage fonctionnels (Arrêt / Programme seul / Marche)
  • Développement des programmes de gestion :
    • Un premier programme à été développé pour valider le fonctionnement
    • Un second programme, plus lourd, a été démarré pour gérer les 15 sorties en stand-alone, via des temporisations

4. Bilan et utilisation :

Grâce à ce système, il devient possible de piloter 15 prises de courant via un programme informatique (logiciel), tout en gardant la possibilité de les gérer manuellement si on le souhaite. Etant donné que chaque sortie dispose de sa propre entrée (pas de groupement en entrée du système), il est facilement envisageable de commuter des tensions différentes simultanément (exemple : une tension de 12 Volt sur certaines sorties et une de 230 Volt sur d'autres...).

Aussi, grâce essentiellement à la carte de puissance, chaque sortie peut offrir une puissance suffisament importante pour alimenter des équipements gourmands en énergie. Aussi, l'état de chaque sortie est consultable à tout instant via les différentes diodes électroluminescentes et peut également être renvoyé vers l'interface logicielle (statuts des relais).

Ici, le système est utilisé pour la gestion de l'allumage et l'extinction de projecteurs mais les applications peuvent être très variées. Il serait possible par exemple de créer une régulation en utilisant les entrées analogiques et/ou numériques de la carte. Ainsi, il serait possible d'alimenter une pompe et d'en modifier le débit en fonction du remplissage d'un bac, de la température... Il est également possible de gérer la vitesse de rotation d'un moteur électrique via un variateur de vitesse.

Le seul point négatif de ce système est la connexion parallèle qui ne sera bientot plus disponible sur les ordinateurs. En effet, les ordinateurs récents sont de moins en moins équipés de port parallèle qui sont remplacés par des ports USB. Des adaptations seront peut-être à envisager dans le futur. Une solution pourrait consister à fabriquer un convertisseur de port pour s'adapter au système ! A suivre...