Automate programmable industriel (API, PLC) : ce qu'il y a dedans, comment il pense

Un automate programmable industriel, ou API, est le cerveau d’une machine automatisée. C’est la pièce centrale de l’automatisme industriel : il lit les capteurs, exécute un programme et commande les actionneurs, en boucle, sans s’arrêter. Cette page ouvre le boîtier, explique comment il « pense », compare les langages et les logiciels, puis programme pas à pas une commande classique : la marche-arrêt d’un moteur.

API, PLC, automate : de quoi parle-t-on ?

Un API est un système électronique numérique programmable, conçu pour commander des procédés industriels par un traitement séquentiel, c’est-à-dire étape après étape. En anglais, on dit PLC, pour programmable logic controller. À l’atelier, on dit simplement « l’automate ».

Attention à l’homonyme : en informatique, une API est une interface de programmation entre deux logiciels. Rien à voir.

L’automate reçoit trois choses : les signaux des capteurs, les consignes de l’opérateur et son programme. Il en tire des ordres pour les préactionneurs, les organes qui distribuent l’énergie aux actionneurs : un contacteur pour un moteur, un distributeur pour un vérin.

Il est né pour remplacer les armoires à relais. En 1968, la division Hydramatic de General Motors, qui fabrique des boîtes de vitesses, lance un appel d’offres pour un remplaçant électronique de ses systèmes de relais câblés. Bedford Associates le remporte et construit en 1969 le premier automate, baptisé 084, puis crée la société Modicon pour le vendre. Dick Morley, qui a travaillé sur le projet, est considéré comme le père de l’automate programmable. Un seul automate remplace des centaines, voire des milliers de relais et de cames. Et pour changer le fonctionnement de la machine, on modifie le programme au lieu de recâbler l’armoire.

Ce qu’il y a dans un automate

Ouvrez une armoire électrique : l’automate est un boîtier, ou une rangée de modules fixés côte à côte. On y trouve toujours les mêmes éléments. Pour fixer les idées, la troisième colonne donne les valeurs d’un modèle courant, le CPU 1214C de la gamme Siemens S7-1200, relevées sur sa fiche technique.

Élément	À quoi il sert	Sur un CPU 1214C DC/DC/DC
Alimentation	fournit l’énergie à l’électronique, en courant alternatif ou continu	24 V continu (de 20,4 à 28,8 V)
Processeur (CPU)	exécute le programme	0,08 µs par instruction sur bit, valeur typique
Mémoire	garde le programme et les données	150 Ko de mémoire de travail, 4 Mo de mémoire de chargement
Entrées TOR	lisent un signal à deux états : bouton, détecteur, fin de course	14 entrées 24 V
Sorties TOR	commandent un contacteur, un voyant, une électrovanne	10 sorties 24 V
Entrées et sorties analogiques	lisent ou envoient une valeur continue : pression, température, vitesse	2 entrées 0-10 V
Communication	dialogue avec l’écran opérateur, les variateurs, les autres automates	1 port PROFINET (Ethernet)

TOR veut dire « tout ou rien » : le signal vaut 0 ou 1, le bouton est appuyé ou il ne l’est pas. Un signal analogique, lui, peut prendre une infinité de valeurs, comme une pression qui monte de 0 à 10 bars.

Autour de ce noyau, des modules spécialisés complètent l’ensemble : comptage rapide, pesage, commande de variateurs et d’axes, communication (Modbus, Profibus, CANopen, Ethernet), et modules de sécurité, dont les entrées et sorties sont dédiées aux fonctions de sécurité.

Les entrées ne valent que ce que valent les capteurs qui les alimentent. Les familles (inductif, capacitif, photoélectrique, fin de course) et la façon de les choisir sont détaillées dans notre guide des capteurs industriels.

Compact ou modulaire ?

Un automate compact réunit tout dans un seul boîtier : l’alimentation, le processeur et une première série d’entrées et de sorties. On ajoute, si besoin, quelques modules sur le côté. Siemens présente son CPU 1214C comme une « compact CPU », et Schneider Electric son Modicon M221 comme un automate compact pour applications simples.

Un automate modulaire sépare chaque fonction dans un module : l’alimentation, le processeur, chaque carte d’entrées ou de sorties, chaque carte de communication. On les assemble sur un rail ou un châssis. On choisit chaque carte, on en ajoute quand la machine grandit, on remplace celle qui est en panne sans toucher au reste.

Pour choisir, partez de la machine, pas du catalogue :

• Comptez les entrées et sorties, TOR et analogiques, et gardez de la réserve pour les ajouts.
• Listez ce qu’il faut raccorder : écran opérateur, variateurs, autres automates, supervision. Chaque liaison impose un protocole.
• Regardez le logiciel : son prix, sa licence, et ce que votre équipe sait déjà utiliser.
• Pensez au dépannage : un automate de la marque déjà présente dans l’usine, c’est un logiciel connu et des pièces de rechange au magasin.

Comment il pense : le cycle automate

Un automate ne réagit pas à chaque événement au moment où il arrive. Il travaille par tours, qu’on appelle cycles, et répète toujours la même séquence :

1. Lecture des entrées. Il lit toutes les entrées d’un coup et les recopie dans une zone de mémoire, la mémoire image des entrées.
2. Traitement. Il exécute le programme, de la première ligne à la dernière, en travaillant sur cette image figée.
3. Écriture des sorties. Il recopie le résultat sur les sorties physiques, toutes ensemble.
4. Diagnostic et communication. Il vérifie son propre état, échange avec le réseau, puis recommence.

Un tour prend d’une à quelques dizaines de millisecondes : c’est le temps de cycle. Un chien de garde, ou watchdog, le surveille. Si un tour dépasse la durée maximale réglée, l’automate se met en défaut au lieu de continuer à commander la machine à l’aveugle.

Le temps de cycle dépend surtout de la longueur du programme. Avec 0,08 µs par instruction sur bit, le CPU 1214C traite 10 000 de ces instructions en 0,8 ms. Les calculs sur des mots ou des nombres à virgule prennent plus de temps.

Ce fonctionnement par tours a trois conséquences à connaître avant d’écrire la première ligne.

• Une impulsion trop courte peut passer inaperçue. Si un capteur ne reste à 1 que 2 ms et que le cycle en dure 10, l’automate peut ne jamais le voir. Pour un codeur ou un comptage rapide, on utilise des entrées rapides ou un module de comptage.
• La dernière écriture gagne. Si une même sortie est écrite à deux endroits du programme, seule la dernière valeur calculée part vers la sortie, en fin de cycle. C’est l’erreur classique de la « double bobine ».
• Le temps de réaction se compte en cycles. Un changement d’entrée arrivé juste après la lecture n’est vu qu’au tour suivant. Comptez jusqu’à deux cycles entre l’événement et la sortie, plus les temps de réponse du capteur et de l’actionneur.

Les langages : la norme CEI 61131-3

La norme internationale CEI 61131-3 (IEC en anglais) définit les langages de programmation des automates. Sa première édition date de 1993. La quatrième, la plus récente, a été publiée le 22 mai 2025.

Langage	Type	À quoi il ressemble	Pour quoi faire
LD, Ladder (schéma à contacts)	graphique	un schéma électrique couché : des contacts et des bobines entre deux barres verticales	la logique tout ou rien, le dépannage par un électricien
FBD (diagramme de blocs fonctionnels)	graphique	des boîtes reliées par des fils : ET, OU, temporisations, compteurs	la logique combinatoire, la régulation
ST (texte structuré)	textuel	des lignes de code avec des conditions, des boucles et des calculs	les calculs, les tableaux de données, les recettes
SFC (diagramme fonctionnel en séquence)	graphique	des étapes et des transitions, très proche du Grafcet	l’enchaînement des étapes d’une machine
IL (liste d’instructions)	textuel	proche de l’assembleur, une instruction par ligne	déclarée obsolète en 2013 et retirée de l’édition 2025 ; elle subsiste dans d’anciens programmes

Le SFC et le Grafcet se ressemblent beaucoup, mais ils n’ont pas le même rôle : le Grafcet décrit le fonctionnement d’un automatisme, le SFC le programme. Écrire le Grafcet d’une machine avant de la programmer évite d’oublier un cas. Notre page sur le Grafcet, langage de description des automatismes en donne les règles et un exemple.

Les noms changent d’un fabricant à l’autre. Dans TIA Portal, le logiciel de Siemens, le Ladder s’appelle LAD et le texte structuré SCL. La fiche du CPU 1214C liste ainsi trois langages : LAD, FBD et SCL.

Lequel choisir ? Pour débuter et pour dépanner, le Ladder : il se lit comme un schéma électrique. Pour un calcul ou un traitement de données, le texte structuré. Pour une séquence de machine, le SFC, ou un Grafcet traduit en Ladder.

Exemple : la marche-arrêt d’un moteur en Ladder

Voici un programme d’école : un bouton pour démarrer un moteur, un bouton pour l’arrêter, et l’arrêt automatique si le moteur chauffe. Le câblage de l’exemple :

Repère	Matériel	Contact	Branché sur
S1	bouton Marche	à fermeture : il ferme le circuit quand on appuie	une entrée
S0	bouton Arrêt	à ouverture : il ouvre le circuit quand on appuie	une entrée
F1	relais thermique du moteur	à ouverture : il s’ouvre quand le moteur chauffe	une entrée
KM1	contacteur du moteur	bobine	une sortie

L’adresse exacte des entrées et des sorties dépend de la marque et du câblage : on les nomme ici par leur repère. Le programme tient en un seul réseau, c’est-à-dire une ligne de Ladder.

Réseau 1 : marche-arrêt avec auto-maintien

      S1            S0           F1                      KM1
 |----] [----+------] [----------] [---------------------( )----|
 |           |
 |    KM1    |
 |----] [----+

Le symbole ] [ est un contact : il laisse passer quand sa variable vaut 1. Le symbole ( ) est une bobine : elle écrit dans la sortie le résultat de la ligne. Un réseau Ladder se lit de gauche à droite, et le programme de haut en bas.

Ce qui se passe :

• Appui sur Marche. S1 passe à 1, S0 et F1 sont déjà à 1 : la ligne conduit, KM1 passe à 1 et le moteur démarre.
• Marche relâché. S1 retombe à 0, mais le contact KM1, branché en parallèle, garde la ligne passante. C’est l’auto-maintien : le moteur continue de tourner.
• Appui sur Arrêt. Le contact S0 s’ouvre, l’entrée tombe à 0, la ligne est coupée : KM1 retombe et l’auto-maintien disparaît avec lui.
• Le moteur chauffe. Le relais thermique F1 s’ouvre : même effet que l’arrêt.

Pourquoi programmer l’arrêt avec un contact ] [, qui passe quand l’entrée vaut 1 ? Parce que le bouton est câblé à ouverture. Au repos, il laisse passer le courant et l’entrée vaut 1. Si un fil se coupe, l’entrée tombe à 0 et le moteur s’arrête, comme si l’on avait appuyé. Avec un bouton à fermeture, un fil coupé empêcherait d’arrêter le moteur, et personne ne s’en apercevrait avant d’en avoir besoin.

Le même réseau, cycle après cycle :

Cycle	S1 Marche	S0 Arrêt	F1 Thermique	KM1 en fin de cycle	Ce qui se passe
1	0	1	1	0	moteur arrêté
2	1	1	1	1	appui sur Marche : le moteur démarre
3	0	1	1	1	Marche relâché : l’auto-maintien tient
4	0	0	1	0	appui sur Arrêt : le moteur s’arrête
5	1	0	1	0	Marche et Arrêt ensemble : l’arrêt gagne

La dernière ligne montre l’arrêt prioritaire : S0 est en série avec tout le reste, donc il coupe la ligne quoi qu’il arrive. Dans la réalité, un appui sur un bouton dure bien plus longtemps qu’un cycle : l’automate voit le même état pendant de nombreux tours de suite.

Le même programme en texte structuré tient en une ligne :

KM1 := (S1 OR KM1) AND S0 AND F1;

Ce réseau est un exercice. Sur une vraie machine, l’arrêt d’urgence ne repose pas sur ce programme : il passe par des composants de sécurité dédiés, relais ou automate de sécurité, conçus et validés pour cette fonction.

Les logiciels pour programmer et s’exercer

Chaque fabricant a son logiciel, et un programme écrit pour une marque ne se charge pas tel quel dans une autre. Trois exemples, relevés le 03/11/2026 sur les sites des éditeurs :

Logiciel	Éditeur	Pour quels automates	Ce qui est gratuit
TIA Portal (STEP 7)	Siemens	gamme SIMATIC, dont le S7-1200	une version d’essai à télécharger ; STEP 7 est ensuite vendu sous licence
CODESYS Development System	CODESYS Group	appareils de nombreux fabricants : au moins 400, selon l’éditeur	tout l’environnement, à 0,00 € (version 3.5.22.40), sans licence à activer
EcoStruxure Machine Expert Basic	Schneider Electric	Modicon M221	le logiciel, gratuit

Pour apprendre chez vous, commencez par CODESYS. Il est gratuit, il propose tous les éditeurs de la norme, et son installation contient une version de démonstration de l’automate logiciel CODESYS Control Win SL : votre programme tourne sur le PC, sans acheter de matériel.

Si votre usine tourne sous Siemens, la version d’essai de TIA Portal vous fait travailler sur l’outil de votre site. Vérifiez sa durée sur la page de téléchargement avant de l’installer, et gardez-la pour une période où vous aurez le temps de vous en servir.

Le logiciel gratuit ne fait pas l’automate : pour piloter une vraie machine, il faut le matériel.

Les grandes marques

Quelques fabricants que vous croiserez en atelier, par ordre alphabétique et sans classement : Beckhoff, Mitsubishi Electric, Omron, Rockwell Automation (marque Allen-Bradley), Schneider Electric (gamme Modicon), Siemens (gamme SIMATIC) et WAGO. Beaucoup d’autres fabricants programment leurs appareils avec CODESYS.

Le bon choix dépend moins de la marque que de ce qui est déjà en place : le parc existant, le logiciel que l’équipe connaît, le distributeur qui livre les pièces et le service qui répond quand la ligne est arrêtée. Un automate dont personne ne sait ouvrir le programme ne se dépanne pas.