Au cours des dernières décennies, de nouvelles avancées technologiques n’ont cessé d’apparaître pour améliorer les processus de fabrication et introduire l’automatisation dans les usines. Avec le temps, les ordinateurs ont commencé à jouer un rôle essentiel dans l’industrie, et des innovations sont apparues qui ont réussi à révolutionner encore plus la fabrication. L’une des plus importantes d’entre elles est l’automate programmable (PLC), un ordinateur industriel capable de contrôler les processus de fabrication, des chaînes de montage au diagnostic des pannes. Plongeons dans l’histoire de l’automate programmable et voyons comment il a changé notre façon de faire les choses.
L’automate programmable (PLC)
Tout d’abord, il est important de comprendre ce qu’est un automate programmable industriel (API ou PLC en anglais). En termes très simples, un automate programmable est un ordinateur que nous utilisons pour surveiller les entrées. Sur la base de celles-ci, des décisions sont prises en fonction de la programmation ou de la logique du PLC pour exécuter une fonction de contrôle en termes d’automatisation – par exemple, mettre une machine en marche ou l’arrêter. Une autre façon de définir les PLC est un dispositif numérique qui exploite une mémoire programmable pouvant stocker des instructions prédéfinies. Sur la base de ces instructions, il met en œuvre des fonctions particulières qui vont de la temporisation et du contrôle arithmétique au séquençage logique. Ces fonctions sont assurées par des modules d’entrée/sortie numériques ou analogiques. Comme vous pouvez le constater, il s’agit d’une technologie sophistiquée qui peut faire fonctionner toute une chaîne de montage d’usine, voire plus. Pourtant, au départ, les automates programmables n’étaient pas aussi complexes que cela. Ils ont été créés pour résoudre des problèmes particuliers auxquels les fabricants étaient confrontés et pour leur faciliter un peu la vie.
Avant l’automate programmable
Les premiers automates programmables ont été développés pour l’industrie automobile, qui a été la première à mettre en œuvre cette technologie. Le développement des automates programmables a commencé à la fin des années soixante, vers 1968 pour être exact, et il a été développé à partir d’une demande du constructeur automobile américain General Motors. L’objectif était de remplacer les systèmes de commande à relais et les minuteries câblées, qui devenaient trop difficiles à gérer, par des contrôleurs programmables offrant beaucoup plus de flexibilité. Depuis lors, les automates programmables, en raison de leur adaptabilité à des environnements plus difficiles, ont été largement mis en œuvre en tant que contrôleurs d’automatisation très fiables.
Avant l’arrivée des automates programmables, les usines utilisaient des minuteries à came, des relais, des contrôleurs en boucle fermée et des séquenceurs comme logique de commande pour la fabrication. Si ce système fonctionnait, il était extrêmement rigide et difficile à modifier. Ces systèmes étaient câblés, ce qui rendait très difficile des éventuelles modifications du processus de fabrication. Si un problème survenait sur une ligne d’assemblage, par exemple, ou s’il fallait faire des modifications, cela impliquait de recâbler et de mettre à jour la documentation. Le pire, c’est qu’il suffisait de mettre un fil à la mauvaise place pour que le système soit défectueux, ce qui entraînait des retards de production souvent très coûteux. Le personnel devait perdre des heures à comparer le câblage existant aux schémas pour tenter de trouver la panne, ce qui était contre-productif.
L’avènement des ordinateurs a permis de trouver un meilleur moyen d’automatiser le processus. Ils ont été rapidement mis en œuvre dans la logique de contrôle, mais se sont également avérés peu fiables et ont nécessité le maintien de conditions de travail difficiles. Il fallait notamment surveiller de près la température, l’alimentation et la propreté. Les ordinateurs à usage général nécessitaient également une programmation spéciale, ce qui les rendait encore plus difficiles à utiliser dans les processus industriels.
L’avènement du premier PLC
Les processus industriels souffrant de l’absence d’un contrôleur logique amélioré et flexible, le besoin d’une meilleure option s’est fait sentir. En 1968, General Motors a mis au point un « contrôleur de machine standard » et en a établi les spécifications, qui ont ensuite été remises aux constructeurs pour obtenir un devis. Les spécifications étaient très étendues et comprenaient certains éléments majeurs qui devaient faire partie du produit final. La conception devait comporter 16 entrées, extensibles à 256. Il devait avoir 16 sorties, extensibles à 128. Il devait être facilement programmable (et reprogrammable) pour éviter les problèmes rencontrés avec les contrôleurs câblés. Il devait utiliser des composants à semi-conducteurs (modulaires et extensibles).
Le cahier des charges prévoyait également que le nouveau contrôleur devait disposer d’une mémoire suffisante pour éviter de perdre les programmes stockés en cas de panne (1k extensible à 4k). Le cahier des charges a été rédigé par un ingénieur appelé Edward R. Clark. La proposition qui a été retenue est celle de Bedford Associates, basée à Bedford, Massachusetts.
Richard E. Morley travaillait pour Bedford Associates, et il a conçu le prototype, appelé « Modular Digital Controller ». Cette machine répondait aux spécifications présentées dans la proposition de General Motors. Elle a été testée par l’entreprise et a montré une réduction considérable de 60 % des temps d’arrêt; ce qui était exactement le type de réduction de temps et de coût que l’entreprise recherchait.
Développement ultérieur
Le premier automate programmable a été construit en 1969 et a été baptisé le 084 (84e projet de Bedford Associates). Après le succès du premier modèle, Bedford Associates a créé une nouvelle société appelée Modicon (modular digital controller) qui s’est entièrement consacrée à la conception, au développement et à la production d’automates.
Richard E. Morley (plus connu sous le nom de Dick Morley) a travaillé au développement de l’automate avec Modicon et est considéré comme le père des automates programmables. Et c’est ainsi que la production du Modicon 084 a commencé. La technique de programmation utilisée dans le Modicon 084 le distinguait des autres produits sur le marché. Pour la plupart des autres contrôleurs, des équations booléennes étaient utilisées pour calibrer et programmer l’équipement.
Sans entrer dans des considérations trop techniques, les mathématiques booléennes utilisent des 1 et des 0, ou en d’autres termes, des déclarations vraies et fausses. Les ordinateurs, en général, utilisent cette logique, mais elle n’était pas très adaptée aux processus de fabrication. Les équations booléennes étaient trop difficiles à utiliser pour les ingénieurs d’usine qui étaient habitués à la logique câblée des relais.
C’est là que l’idée ingénieuse de Morley a révolutionné l’ensemble du processus. Il a trouvé un concept pour implémenter la logique câblée dans son système, ce qui revient à utiliser le langage des relais que les ingénieurs comprennent dans la logique booléenne. Inutile de dire que cela a tout changé. Grâce à cette technique, il était possible de représenter la logique booléenne sous forme de graphique avec la logique câblée. Avec le succès de la marque Modicon, celle-ci a été vendue en 1977 à Gould Electronics puis finalement à son propriétaire actuel, Schneider Electric.
Modicon a également créé un protocole de communication appelé Modbus qui est utilisé avec les automates programmables pour se connecter à de nombreux appareils.
Allen-Bradley
L’intérêt pour les automates programmables s’est accru, tout comme la concurrence sur le marché et l’intérêt pour le développement de nouvelles technologies dans ce domaine afin d’améliorer encore le processus.
L’innovation est devenue le seul moyen pour une entreprise de s’approprier une part de marché des automates programmables, ce qui était finalement pour le plus grand bien. Avec un nombre croissant d’entreprises travaillant au développement de nouvelles techniques, les automates programmables sont devenus plus rapides, plus efficaces et plus puissants. Simultanément au développement de Modbus, Allen-Bradley a développé une nouvelle technologie connue sous le nom de Data Highway.
Odo Josef Struger a travaillé pour Allen-Bradley et est également connu comme l’un des pères des contrôleurs logiques programmables. Il a joué un rôle énorme dans le développement des normes du langage de programmation des automates programmables.
Les PC
Dans les années 80, les ordinateurs ont été introduits dans les bureaux et sont devenus plus courants. Cela a ouvert la voie à une plus grande technologie d’interface avec les automates programmables pour faciliter et améliorer le processus de fabrication.
Cela a également permis aux concepteurs de systèmes d’obtenir plus facilement de meilleurs résultats à un rythme beaucoup plus rapide. Pour eux, l’utilisation d’un ordinateur était beaucoup plus rapide et plus précise que celle d’une planche à dessin. À l’approche des années 90, même les concepteurs de la vieille école ont mis de côté leurs planches à dessin pour les ordinateurs beaucoup plus rapides, même s’ils étaient beaucoup plus lents que ceux dont nous disposons aujourd’hui. Ce n’est pas seulement dans la salle de conception que les ordinateurs ont commencé à faciliter les choses. Ils ont également été mis en interface directe avec les automates programmables. Cela a rendu le contrôle des performances des machines beaucoup plus facile et plus précis. Associé aux outils de diagnostic et de dépannage de l’automate programmable – et largement mis en œuvre à l’époque – le diagnostic des machines a pris une toute nouvelle direction, bien meilleure.
L’évolution des langages de programmation
Au fur et à mesure de l’évolution des ordinateurs et des efforts et investissements consentis pour le développement des automates, de nouveaux langages de programmation sont apparus. Comme nous l’avons dit précédemment, la plupart des premiers automates n’étaient pas capables de représenter graphiquement la logique, c’est pourquoi l’algèbre booléenne était fortement utilisée. Au fil du temps, le langage ladder a été implémenté avec l’algèbre booléenne et a donné naissance aux langages de programmation les plus utilisés à l’époque.
La norme CEI 61131-3 de 1982 (Commission électrotechnique internationale (CEI) 61131-3) a été l’une des étapes les plus importantes de l’évolution des automates programmables. L’introduction de cette norme a été cruciale car elle a apporté une cohérence indispensable au marché et une sorte de référence ou de code auquel les automates programmables étaient comparés. En d’autres termes, tout automate programmable en cours de développement était comparé à cette norme. Grâce à elle, les ingénieurs et les techniciens étaient beaucoup plus à même de comprendre la logique et les performances des programmes de n’importe quel logiciel d’automate. Peu importe qu’il ait été conçu par une entreprise ou une autre, car ils étaient tous construits en fonction de la norme.
Les années 90
La technologie évolue rapidement dans les années 90, et le développement des automates programmables ne fait pas exception. À cette époque, on constate une réduction progressive de l’introduction de nouveaux protocoles dans un souci de cohérence et de stabilité. D’autre part, les composants physiques d’un automate subissaient un développement important afin que les vestiges des années 80 et des décennies précédentes puissent être modernisés à l’aide de technologies plus récentes. Les propriétaires d’usines demandaient que leurs nouvelles machines soient équipées d’un logiciel de surveillance des automates. Pourtant, les techniciens étaient encore fortement impliqués dans le processus. De nombreux directeurs d’usine voulaient l’élément humain et insistaient pour que leurs techniciens effectuent le dépannage, ce qui a en quelque sorte freiné le développement des automates pendant un certain temps, car ceux qui étaient utilisés étaient de conception simple et n’avaient pas besoin d’être sophistiqués. Au fil du temps, les responsables ont commencé à utiliser davantage les automates afin que le logiciel puisse leur dire ce qui n’allait pas, car ses performances en matière de dépannage étaient bien meilleures.
Interface homme-machine programmable (IHM)
Quelle que soit la sophistication de la technologie des automates programmables, l’élément humain reste nécessaire pour la configuration, la surveillance et le signalement des problèmes ou des alarmes. C’est là qu’intervient l’interface homme-machine (IHM). Au début, il s’agissait d’un simple remplacement de boutons, mais elle s’est développée au fil du temps lorsque les directeurs d’usine ont trouvé d’autres utilisations pour cette technologie. L’IHM est essentiellement un système qui utilise des boutons et des lumières pour que l’utilisateur (ingénieur, technicien, etc.) puisse interagir avec le système. Cela a rendu la surveillance des machines beaucoup plus facile et critique, car il était plus simple d’identifier ce qui n’allait pas. Grâce à l’IHM, vous pouvez obtenir des informations vitales telles que les interventions manuelles, le nombre de produits, les problèmes de la machine et bien plus encore. Ces informations étaient affichées sur les écrans IHM à l’aide de texte et de graphiques. Plus tard, des systèmes plus avancés ont été conçus, dans lesquels un logiciel de surveillance était installé sur un ordinateur et l’automate programmable était connecté à l’aide d’une interface de communication. Davantage d’informations étaient traitées et introduites, ce qui se répercutait finalement sur la qualité et l’efficacité globale de la production.
Aujourd’hui, les automates programmables sont toujours en cours de développement pour les rendre plus petits, plus faciles à entretenir et plus efficaces. La taille actuelle des cartes de circuits imprimés et des processeurs est insignifiante par rapport à ce qu’elle était il y a cinquante ans, ce qui a non seulement réduit les coûts mais aussi amélioré l’efficacité et facilité la maintenance. La vitesse est le facteur le plus crucial des automates programmables de nos jours; et c’est ce que tout fabricant recherche. De nouvelles solutions sont introduites en permanence pour nous offrir des automates plus rapides sans compromettre la durabilité et la stabilité. Il est impossible de dire ce que l’avenir réserve aux automates programmables, mais nous pouvons être certains qu’il y a beaucoup de choses à venir.
