Qu’est-ce que la Ladder Programmation ?

La programmation ladder, standardisée par la CEI 61131-3, reste un pilier de la logique industrielle malgré sa complexité visuelle ? Découvrez ce langage graphique structuré en barreaux d’échelle, hérité des schémas électriques à relais. Chaque ligne logique combine des contacts (NO/NF), bobines (SET/RESET) et blocs fonctionnels pour commander des systèmes critiques. Son exécution cyclique, de haut en bas et de gauche à droite, assure une fiabilité prouvée dans des applications comme le contrôle de presses hydrauliques, la gestion de convoyeurs ou l’automatisation des lignes de production, tout en facilitant le débogage grâce à sa représentation visuelle intuitive.

1. Qu’est-ce que la programmation ladder ? Définition et principes fondamentaux
2. Les composants essentiels du langage ladder : contacts, bobines et blocs
3. Mettre en œuvre la logique : exemples concrets en programmation ladder
4. Le cycle de vie d’un programme ladder : de la conception à la maintenance

Qu’est-ce que la programmation ladder ? Définition et principes fondamentaux

Définition : un langage visuel pour l’automatisation industrielle

Le Ladder Diagram (LD), aussi appelé langage Ladder ou schéma à contacts, est un langage de programmation graphique utilisé pour les automates programmables industriels (API). Normalisé par la CEI 61131-3, il adopte une structure en forme d’échelle avec deux rails verticaux représentant les tensions d’alimentation et des échelons horizontaux symbolisant les logiques de commande. Ce format visuel rappelle les schémas électriques traditionnels.

À l’origine, ce langage a remplacé les circuits logiques câblés à relais. Les électriciens ont pu facilement se former à sa manipulation, sans nécessiter de compétences en programmation informatique classique. Aujourd’hui, il reste un outil clé pour modéliser des séquences de commande simples dans les systèmes de contrôle industriel.

L’analogie avec les schémas électriques à relais

La programmation Ladder tire son nom de sa structure en échelle. Les deux montants verticaux évoquent les lignes d’alimentation électrique, tandis que les barreaux horizontaux (rungs) correspondent aux circuits logiques. Cette analogie permet aux techniciens de traduire directement des logiques électriques en code programmable.

Par exemple, un contact normalement ouvert (NO) représente une entrée activée à l’état haut, alors qu’un contact normalement fermé (NF) correspond à une entrée inversée. Les bobines, sur la droite, symbolisent les sorties. Cette approche simplifiée a permis un transfert de compétences fluide entre les électriciens et les programmeurs d’automates.

Les règles de lecture d’un programme ladder

L’exécution d’un programme Ladder suit trois règles strictes. D’abord, la lecture s’effectue de haut en bas, traitant chaque échelon un par un. Ensuite, l’évaluation se fait de gauche à droite sur chaque barreau. Enfin, le « courant logique » doit traverser les contacts pour activer une bobine.

Le cycle d’exécution comprend trois phases : lecture des entrées physiques, traitement du programme Ladder, puis mise à jour des sorties. Ce processus cyclique, exécuté en quelques microsecondes, simule une exécution en temps réel. Les API modernes étendent ce langage avec des blocs fonctionnels pour les temporisateurs, compteurs ou contrôleurs PID, tout en conservant sa logique visuelle de base.

Les composants essentiels du langage ladder : contacts, bobines et blocs

Les entrées : les contacts

Les contacts forment la base de la logique d’entrée dans les schémas Ladder. Chaque contact représente une condition booléenne liée à un capteur ou une variable d’état. Deux types dominent :

Le contact normalement ouvert (NO) (–| |–) laisse passer le courant logique uniquement lorsque la variable associée est VRAIE. Cela correspond à un état actif, comme un bouton Marche pressé.

Le contact normalement fermé (NF) (–|/|–) fonctionne en logique inverse : il bloque le courant lorsque la variable est VRAIE. Cet élément est critique pour les situations d’arrêt d’urgence ou les fonctions de sécurité.

Les sorties : les bobines

Les bobines traduisent la logique en actions physiques. La bobine de sortie (–( )–) active une sortie (moteur, voyant) quand le courant logique l’atteint. Des variantes spécialisées existent :

La bobine SET (–(S)–) mémorise l’état actif même après disparition de la condition d’entrée. Elle permet de maintenir un moteur en marche après une impulsion. Sa complémentaire, la bobine RESET (–(R)–) force l’arrêt en réinitialisant l’état mémorisé.

Synthèse des éléments de base et blocs fonctionnels

Les composants de base forment la structure fondamentale, mais le langage Ladder s’étend avec des blocs fonctionnels complexes. Voici les éléments clés :

Élément	Symbole graphique	Description logique	Exemple d’application industrielle
Contact Normalement Ouvert (NO)	–| |–	Vrai si la condition d’entrée est VRAIE (1)	Lecture d’un bouton-poussoir ‘Marche’
Contact Normalement Fermé (NF)	–|/|–	Vrai si la condition d’entrée est FAUSSE (0)	Lecture d’un bouton ‘Arrêt d’urgence’
Bobine de sortie	–( )–	Active la sortie si la logique du barreau est VRAIE	Allumer un voyant de signalisation
Bobine SET	–(S)–	Active et mémorise la sortie à VRAI	Maintien en marche d’un moteur après impulsion
Bobine RESET	–(R)–	Désactive et mémorise la sortie à FAUX	Arrêt d’un moteur mémorisé par SET
Bloc Fonctionnel (Ex: Temporisateur)	[TON]	Active une sortie après un temps prédéfini	Gérer le temps de cuisson dans un four industriel

Les blocs fonctionnels étendent les capacités du langage. Les temporisateurs [TON] et [TOF] gèrent les délais, les compteurs [CTU] et [CTD] traitent les événements répétitifs, tandis que les opérateurs mathématiques intègrent des calculs dans la logique d’automatisation.

Mettre en œuvre la logique : exemples concrets en programmation ladder

Les programmes Ladder s’appuient sur trois principes de base pour modéliser des commandes industrielles. Ces structures visuelles, inspirées des schémas électriques, permettent de représenter des logiques complexes de manière intuitive. Voyons trois cas pratiques d’application.

La fonction logique ET (AND)

La logique ET utilise des contacts en série. La sortie s’active uniquement si toutes les entrées sont vraies. Exemple : un moteur (M) démarre uniquement si le bouton « Marche » (E1) est activé et le capot de sécurité (E2) fermé. Représentation textuelle :

---|E1|---|E2|---(M)---

Cette structure, héritée des circuits électriques traditionnels, sécurise les opérations critiques. Elle garantit qu’aucun mouvement ne s’initie sans validation simultanée de toutes les conditions de sécurité.

La fonction logique OU (OR)

Les contacts en parallèle activent la sortie si au moins une condition est remplie. Exemple : une alarme (A) déclenchée par une température excessive (T) ou une pression anormale (P). Schéma textuel :

---|T|---(A)
---|P|---

Cette configuration s’applique dans les systèmes de surveillance multi-capteurs pour activer un signal commun. Elle permet de centraliser des alertes provenant de sources diverses, comme un détecteur de fumée.

L’auto-maintien : un schéma fondamental

Le circuit d’auto-maintien (« seal-in ») permet de maintenir une sortie active après une impulsion. Il utilise un contact auxiliaire en parallèle du bouton de commande. Fonctionnement :

1. Un contact NO (bouton « Marche ») est en série avec un contact NF (bouton « Arrêt »), commandant une bobine (moteur)
2. Un contact NO en parallèle avec le bouton « Marche » est associé à la sortie
3. Lors de l’activation, le contact associé à la bobine maintient le circuit même après relâchement du bouton « Marche »
4. L’arrêt s’effectue uniquement via le bouton « Arrêt »

Ce mécanisme, inspiré des relais électromécaniques, reste utilisé dans la majorité des installations modernes. Il permet de simplifier les interfaces opérateur tout en assurant la continuité de fonctionnement, comme pour le démarrage d’un convoyeur.

Le cycle de vie d’un programme ladder : de la conception à la maintenance

Analyse fonctionnelle et conception de l’algorithme

La programmation ladder débute par une analyse rigoureuse des besoins. Les automaticiens identifient les entrées (capteurs, boutons) et les sorties (moteurs, voyants), puis élaborent la logique de commande. Le Grafcet, utilisé en amont, structure les étapes complexes : chaque étape correspond à un barreau dans le Ladder, chaque transition à un contact. Par exemple, un système de tri de pièces en Grafcet se traduira par des séquences de vérins actionnés via des bobines Ladder. Cette méthodologie garantit une conversion fluide entre modélisation séquentielle et langage visuel.

Programmation, simulation et transfert vers l’automate

Les logiciels comme TIA Portal (Siemens) ou EcoStruxure (Schneider) offrent des bibliothèques de blocs prédéfinis (temporisations, compteurs). La simulation, réalisée via des outils dédiés, permet de valider la logique d’une presse ou d’un convoyeur avant déploiement. Des erreurs critiques, comme une inversion de mouvement sur une machine CNC, peuvent être corrigées virtuellement. Les IDE modernes incluent un debuggage en temps réel, avec colorisation des barreaux actifs. Par exemple, un défaut de verrouillage entre deux moteurs se détecte instantanément par une surbrillance visuelle.

Mise en service, débogage et maintenance

La mise en œuvre teste le programme en conditions réelles. Le débogage utilise des outils comme la « force de variables » pour simuler temporairement des signaux d’entrée. Le processus suit six étapes :

• Conception : Analyse du besoin et cahier des charges fonctionnel.
• Programmation : Saisie du code Ladder dans un logiciel dédié.
• Simulation : Test virtuel sans risque matériel.
• Déploiement : Transfert dans la mémoire de l’automate.
• Mise en service : Vérification sur la machine.
• Maintenance : Ajustements continus du programme.

Les IDE modernes intègrent des outils de diagnostic avancés : suivi des états logiques en temps réel, chronologie des événements et alertes prédictives. Dans un atelier de conditionnement, ces fonctionnalités réduisent les arrêts de 30 à 40%. La structure visuelle du Ladder, avec ses montants verticaux (alimentation) et ses barreaux horizontaux (logique), rend l’analyse d’erreurs 2 à 3 fois plus rapide qu’un langage textuel. Les équipes de maintenance apprécieront aussi la traçabilité des modifications, souvent intégrée aux IDE.

L’écosystème du ladder : logiciels, normes et avenir du langage

Les logiciels et environnements de développement

Les grands acteurs de l’automatisation industrielle, tels que Siemens, Schneider Electric, Rockwell Automation et Omron, proposent chacun leurs propres environnements de développement pour la programmation Ladder. Ces outils, bien que basés sur la norme CEI 61131-3, intègrent des spécificités propres à chaque fabricant.

Par exemple, TIA Portal de Siemens, EcoStruxure Control Expert de Schneider Electric et Studio 5000 de Rockwell Automation permettent de programmer des automates avec des blocs fonctionnels personnalisés. Ces plateformes intègrent souvent plusieurs langages graphiques et textuels, adaptés aux projets complexes, y compris pour la commande de machines-outils comme les fraiseuses CNC.

La place du ladder dans la norme CEI 61131-3

Le Ladder Diagram (LD) est l’un des cinq langages définis par la norme CEI 61131-3. Chacun possède des forces distinctes :

• Ladder Diagram (LD) : Idéal pour les logiques booléennes simples et la maintenance grâce à sa clarté visuelle.
• Function Block Diagram (FBD) : Un autre langage graphique, excellent pour les flux de données et les régulations.
• Structured Text (ST) : Un langage textuel de haut niveau, similaire au Pascal, puissant pour les algorithmes complexes et les calculs.
• Instruction List (IL) : Un langage textuel de bas niveau, proche de l’assembleur, aujourd’hui moins utilisé.
• Sequential Function Chart (SFC) / Grafcet : Parfait pour décrire et programmer des processus séquentiels (étapes et transitions).

Cette diversité permet aux développeurs de choisir le langage le plus adapté à chaque aspect du projet, tout en conservant une cohérence globale grâce à la norme.

Avantages, limites et pertinence actuelle

Le Ladder Diagram reste populaire grâce à sa simplicité et sa facilité de débogage visuel. Sa structure en échelle, inspirée des schémas électriques, est intuitive pour les techniciens. Cependant, il montre ses limites face aux algorithmes complexes, à la programmation orientée objet ou à la manipulation de données structurées.

Malgré son âge, le langage est encore largement utilisé dans l’industrie pour des applications de contrôle-commande. Maîtriser le Ladder est une compétence de base pour les professionnels de l’automatisation, notamment ceux travaillant avec les nouvelles générations de robots industriels. Sa pertinence persiste grâce à sa lisibilité et à son intégration dans des environnements modernes, même si d’autres langages comme le Structured Text (ST) gagnent du terrain pour des besoins plus avancés.

La programmation Ladder, héritée des schémas électriques, reste un pilier de l’automatisation industrielle. Normalisée par la CEI 61131-3, sa structure visuelle simplifie le débogage et la maintenance. Malgré l’émergence de langages plus avancés, son utilisation persiste pour les applications de logique booléenne, incarnant une transition réussie entre circuits câblés et programmation moderne.

FAQ

Comment programmer en Ladder ?

La programmation en Ladder nécessite une approche structurée et des outils spécialisés. Elle commence par l’analyse fonctionnelle du processus à automatiser, suivie de la modélisation graphique des logiques booléennes sous forme de barreaux d’échelle. Les étapes clés incluent l’utilisation d’un environnement de développement intégré (comme TIA Portal ou EcoStruxure Control Expert) pour concevoir les schémas contacts/bobines, la simulation virtuelle du programme avant déploiement, et la vérification sur site. Les professionnels doivent maîtriser les règles de priorité (lecture top-down, évaluation left-right) et les blocs fonctionnels avancés (temporisateurs, compteurs). La formation aux bonnes pratiques de structuration des échelons (exclusion des boucles redondantes) garantit une maintenance efficace.

Quel est le principe fondamental du langage Ladder ?

Le langage Ladder, normalisé sous la CEI 61131-3, est un langage graphique conçu pour la programmation des automates programmables industriels (API). Sa structure en forme d’échelle (deux montants verticaux symbolisant les alimentations et des barreaux horizontaux représentant les circuits logiques) permet une transition naturelle pour les techniciens formés aux schémas électriques. Il repose sur des contacts (conditions d’entrée) et des bobines (actions de sortie), avec une logique de flux virtuel de courant : un barreau valide active sa sortie si le courant logique atteint sa bobine. Son ancrage historique dans les circuits à relais en fait un standard incontournable pour les applications de contrôle-commande.

Quels sont les langages de programmation des automates ?

La norme CEI 61131-3 définit cinq langages principaux pour les automates programmables : le Ladder Diagram (LD) pour les logiques booléennes graphiques, le Function Block Diagram (FBD) orienté flux de données, le Structured Text (ST) pour les algorithmes complexes, l’Instruction List (IL) proche de l’assembleur, et le Sequential Function Chart (SFC) pour les processus séquentiels. Dans l’industrie, le Ladder domine pour sa simplicité de débogage visuel, tandis que le ST gagne du terrain pour les calculs avancés. Les environnements modernes comme Studio 5000 ou TIA Portal permettent souvent de combiner ces langages dans un même projet.

Qu’est-ce qu’un programme LD ?

Un programme LD (Ladder Diagram) est un ensemble d’échelons logiques exécutés cycliquement par un automate programmable. Chaque barreau représente une règle logique où les contacts (conditions) commandent l’état des bobines (sorties). Par exemple, un barreau avec deux contacts NO en série active sa bobine uniquement si les deux conditions sont vraies (fonction ET logique). L’évaluation se fait de haut en bas, chaque barreau étant traité de gauche à droite. Ce format, proche des schémas électriques, est particulièrement adapté aux tâches de commande séquentielle dans les lignes de production automatisées.

Quelle est la spécificité du codage Ladder ?

Le codage Ladder se distingue par son approche visuelle et sa compatibilité avec les compétences techniques traditionnelles. Contrairement aux langages textuels, il utilise des symboles graphiques standardisés (contacts, bobines, blocs fonctions) qui facilitent la lecture par les équipes de maintenance. Son exécution cyclique (scan cycle) garantit une réactivité constante, avec des temps de cycle typiques de 1 à 100 ms. Les professionnels apprécieront sa capacité à intégrer des blocs spécialisés (PID, temporisateurs) tout en conservant une traçabilité visuelle des états des variables.

Quelles sont les étapes de la programmation en Ladder ?

La mise en œuvre suit un cycle en six phases : 1) l’analyse fonctionnelle du besoin, 2) la conception des échelons logiques, 3) la saisie dans un IDE dédié, 4) la simulation virtuelle pour valider la logique, 5) le déploiement sur l’API via un réseau de terrain (PROFIBUS, PROFINET), et 6) la mise en service avec tests sur équipement réel. L’utilisation d’outils comme le Grafcet en amont optimise la structuration des séquences complexes. Les erreurs courantes (multiples bobines SET/RESET pour un même bit) doivent être évitées pour garantir une maintenance aisée.

Quels langages utilise-t-on en STEP7 ?

STEP7, l’environnement de programmation des automates Siemens, supporte les cinq langages CEI 61131-3 avec un accent sur le Ladder Diagram (KOP), le Function Block Diagram (FUP) et le Structured Text (SCL). Le langage Ladder y est particulièrement utilisé pour les logiques booléennes simples, tandis que le SCL (langage texte structuré) est privilégié pour les algorithmes complexes. Les professionnels combinent souvent ces outils, par exemple pour intégrer des blocs PID programmés en FUP dans un projet global en Ladder.

Comment implémenter un front montant en Ladder ?

La détection d’un front montant (transition 0→1) nécessite un bloc fonctionnel spécifique, souvent noté « P_TRIG » dans les environnements modernes. En Ladder pur, on crée un circuit comparant l’état actuel d’une entrée avec son état retardé d’un cycle. Par exemple : un contact NO (E1) en série avec un contact NF (relié à une mémoire intermédiaire M1) commande une bobine M1. Cette dernière, en parallèle, est alimentée par un contact NF (E1) initial, créant un état transitoire lors de la transition. Cette technique est critique pour les opérations déclenchées par événement unique (ex: comptage de pièces).

Quelle est la spécificité du langage FBD ?

Le langage FBD (Function Block Diagram) est un langage graphique de la norme CEI 61131-3, optimisé pour les flux de données et les régulations continues. Il repose sur l’interconnexion de blocs fonctionnels prédéfinis (ex: fonctions de temporisation, de comptage, de régulation PID). Contrairement au Ladder, il visualise les dépendances fonctionnelles plutôt que les séquences logiques booléennes, ce qui le rend particulièrement adapté aux systèmes multi-variables (ex: régulation de température dans un four industriel). Les professionnels l’utilisent souvent en complément du Ladder pour isoler les traitements complexes dans des blocs réutilisables.