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Cours 02 - Etude des systmes Page 1/10

MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour lIngnieur S. Gnoul 23/09/2010

Etude des systmes

1) PRESENTATION GENERALE DES SYSTEMES...........................................................2 11) DEFINITION DUN SYSTEME SELON 2 ASPECTS. .......................................................................................... 2

Aspect structurel : Ensemble de constituants en relation.................................................................................. 2 Aspect fonctionnel : Ensemble de fonctions en relation .................................................................................... 2

12) LES SYSTEMES AUTOMATISES................................................................................................................... 2

2) CLASSIFICATION DUN SYSTEME...............................................................................2 21) SELON LE DOMAINE DAPPLICATION. .......................................................................................................... 2 22) SELON LE CONTEXTE TECHNICO-ECONOMIQUE. ......................................................................................... 2

Les systmes de diffusion limite rencontrs dans les usines de production industrielle. ................................ 2 Les systmes de grande diffusion rencontrs dans l'lectromnager, la domotique, la distribution. ................ 2

3) ORGANISATION STRUCTURELLE DUN SYSTEME AUTOMATISE...........................3 31) CONSTITUTION DUN SYSTEME AUTOMATISE : PE, PC ET PO. .................................................................... 3 32) RELATIONS ENTRE PE, PC ET PO (CONSIGNES, ORDRES, COMPTES RENDUS, SIGNALISATIONS). ................. 3

4) ORGANISATION FONCTIONNELLE DUN SYSTME AUTOMATIS : CHANE FONCTIONNELLE. .............................................................................................................4

41) CHAINE FONCTIONNELLE OBTENTION DUNE SEULE FONCTION. .............................................................. 4 42) CHAINES DENERGIE ET DINFORMATION. ................................................................................................... 4 43) FLUX D'ENERGIE, FLUX D'INFORMATION ET FLUX DE MATIERE. ..................................................................... 4

5) CONSTITUANTS DE LA CHANE DNERGIE. ............................................................5 51) LES PREACTIONNEURS. ............................................................................................................................ 5

Le relais lectromagntique .............................................................................................................................. 5 Le contacteur .................................................................................................................................................... 5 Le distributeur ................................................................................................................................................... 5

52) LES ACTIONNEURS. .................................................................................................................................. 5 Les moteurs lectriques .................................................................................................................................... 6 Les vrins pneumatiques ou hydrauliques ........................................................................................................ 6

53) LES TRANSMETTEURS (OU ADAPTATEURS)................................................................................................. 6 Les rducteurs de vitesse ................................................................................................................................. 6 Les transformateurs de mouvement.................................................................................................................. 6

6) LES EFFECTEURS.........................................................................................................7 Effecteurs pour une VA de type dplacement de matires duvres (tapis roulant, ventouse)..................... 7 Effecteurs pour une VA de type transformation de matires duvres (outil, bol vibrant). ............................ 7 Effecteurs pour une VA de type stockage de matires duvres (goulotte, palette). .................................... 7

7) CONSTITUANTS DE LA CHANE DINFORMATION. ...................................................8 71) LES CAPTEURS. ....................................................................................................................................... 8

Les capteurs TOR (Tout Ou Rien) ou capteurs logiques (2 valeurs)................................................................. 8 Les capteurs analogiques (infinit de valeurs). ................................................................................................. 8 Les capteurs numriques (nombre limit de valeurs)........................................................................................ 9

72) LES INTERFACES HOMME/MACHINE. .......................................................................................................... 9 Bouton poussoir, bouton coup de poing, potentiomtre, interrupteur de position, clavier... .............................. 9

73) LES PARTIES COMMANDES....................................................................................................................... 9 Automate programmable industriel (API), ordinateur, carte lectronique.......................................................... 9

74) LES INTERFACES MACHINE/HOMME. .......................................................................................................... 9 Voyant, alarme sonore, cran........................................................................................................................ 9

8) LENERGIE SOURCE. ..................................................................................................10 81) PRODUCTION DE LENERGIE (EDF, COMPRESSEUR DAIR)..................................................................... 10 82) ADAPTATION SI NECESSAIRE DE CETTE ENERGIE...................................................................................... 10

Adaptation de lnergie lectrique (transformateur et redresseur). ................................................................. 10 Adaptation de lnergie pneumatique (unit de conditionnement FRL)........................................................... 10



1) Prsentation gnrale des systmes. 11) Dfinition dun systme selon 2 aspects. Un systme est un produit (rappel de la dfinition dun produit : ce qui est fourni lutilisateur pour rpondre un besoin). Il devra vrifier les performances attendues du cahier des charges. On peut donc regarder un systme suivant deux aspects :

Aspect structurel : Ensemble de constituants en relation (moteur, aile, gouverne) Exemple : un avion Aspect fonctionnel : Ensemble de fonctions en relation (propulser, porter, diriger)

12) Les systmes automatiss. Les systmes techniques peuvent tre de nature trs diverse et diffrentes disciplines peuvent s'interpntrer : l'automatique, l'informatique, la mcanique, l'lectronique, l'lectrotechnique, ... Plus le systme est complexe, plus les disciplines concernes sont nombreuses. Nous nous intresserons principalement aux systmes automatiss dans lesquels tout ou une partie du savoir-faire est confi une machine.

2) Classification dun systme. 21) Selon le domaine dapplication. Laronautique : avion, mais aussi lintrieur de celui-ci son systme de navigation, systme darmes Lautomobile : voiture, systme de climatisation, ABS, direction assiste, suspension active Llectromnager : machine laver, cafetire, four micro-onde Llectronique grand public : tlviseur, tlphone portable, lecteur DVD, mais aussi les

systmes dmission et de rception par satellite des signaux audios et vidos La domotique : store, ouvre-portail, climatisation Le service : distributeur de billets, horodateur, station de lavage, ascenseur Le mdical : respirateurs, pompes, rein artificiel

22) Selon le contexte technico-conomique. Suivant le contexte technico-conomique, la conception des systmes se fait diffremment. On distingue :

Les systmes de diffusion limite rencontrs dans les usines de production industrielle. Ces systmes, souvent unitaires, font lobjet dtudes rduites et sont constitus dlments standards assembls. Au laboratoire, on peut trouver une conditionneuse de balles de ping-pong (photo ci-contre), une capsuleuse de bocaux, un trieur de pellicules photos, un axe de robot de cueillette de fruits

Les systmes de grande diffusion rencontrs dans l'lectromnager, la domotique, la distribution. Ces systmes, produits en grande srie, font lobjet dtudes pousses pour optimiser les cots. Le design est souvent un lment important.



3) Organisation structurelle dun systme automatis. tude sur un exemple : Fermeture et ouverture automatique dun portail :

A la rception du signal de commande radio, la carte lectronique commande :

soit l'ouverture (dverrouillage de la serrure, puis action des 2 moto-rducteurs),

soit la fermeture (action des 2 moto-rducteurs, puis verrouillage de la serrure).

Actigramme A-0 :

31) Constitution dun systme automatis : PE, PC et PO. Un systme automatis est constitu : d'une PARTIE OPERATIVE (PO) en gnral mcanise, qui agit physiquement sur la matire d'uvre, pour lui

apporter la valeur ajoute, d'une PARTIE COMMANDE (PC) qui traite linformation pour assurer le pilotage et la coordination des tches, dune PARTIE ECHANGE (PE) qui permet loprateur (utilisateur) de dialoguer avec la PC.

32) Relations entre PE, PC et PO (consignes, ordres, comptes rendus, signalisations). PARTIE CHANGE

Radio commande

Borne lumineuse

consignes

Signali-sations

PARTIE COMMANDE

Carte lectronique + Rcepteur

ordres

comptes rendus

PARTIE OPRATIVE

Moteur, rducteur, bras du vantail

Capteurs

La PE met la PC des consignes (demande d'ouverture, de fermeture, d'arrt ). La PC met la PO des ordres pour coordonner le droulement des oprations. La PO met des comptes rendus caractrisant les tats des matires d'uvres ou des parties mcaniques. La PC met la PE des signalisations pour informer de l'tat dans lequel elle se trouve.

Moteur rducteur

Bras articul Electro serrure

Carte lectronique avec radio rcepteur

Antenne et Borne lumineuse Serrure

manuelle

Photocellule mettrice

MANOEUVRER

le portail

Portail automatique

Portail dans une position

Energie lectrique

Signalisation

Consignes oprateurs

Portail dans lautre position



4) Organisation fonctionnelle dun systme automatis : Chane fonctionnelle. 41) Chane fonctionnelle Obtention dune seule fonction. Une chane fonctionnelle est un ENSEMBLE DE CONSTITUANTS ORGANISES en vue de l'obtention d'UNE SEULE FONCTION PRINCIPALE (par exemple : prendre un objet, dplacer une charge, chauffer une pice...) : cest un systme automatis lmentaire.

42) Chanes dnergie et dinformation. Une chane fonctionnelle comporte :

une chane d'nergie qui ralise une action partir d'nergies disponibles. une chane d'information qui ralise l'acquisition et le traitement d'informations.

43) Flux d'nergie, flux d'information et flux de matire. Niveau de l'nergie utilise Diffrents types de flux utilis dans une chane fonctionnelle Reprsen-tation lectrique pneumatique hydraulique

Dans la chane dnergie o lnergie utilise doit tre importante pour donner aux matires d'uvre la valeur ajoute attendue, nous parlerons de FLUX D'ENERGIE. 220 V 7 bar 250 bar

Dans la chane dinformation o lnergie utilise doit tre faible pour vhiculer des signaux, nous parlerons de FLUX D'INFORMATION.

24 V 3 bar 10 bar

Au niveau de l'effecteur, nous parlerons de FLUX DE MATIERE (pice, matriau).

Chane d'information

Communiquer Acqurir Traiter

Capteur Interface homme/machine

Partie commande Interface machine/homme

Grandeurs physiques acqurir

(position, vitesse, temprature, force,

pression) Images informationnelles exploitables

(consignes et comptes rendus)

Informations traites

(signalisations)

Consignes

Messages

Chane d'nergie

Transmettre et adapter l'nergie

Distribuer l'nergie

Convertir l'nergie

Practionneur Actionneur Transmetteur

nergie distribue

nergie convertie

nergie source (lectrique, hydraulique,

pneumatique)

Informations traites (Ordres)

Matire d'uvre +

Valeur Ajoute

Matire d'uvre

Effecteur

Agir sur la matire d'uvre

nergie transmise et adapte

Remarque : Dans un systme donn, on peut rencontrer un nombre important de chanes fonctionnelles. Par exemple, dans le robot Ericc cinq axes, on peut identifier aisment au moins cinq chanes fonctionnelles (une pour chaque axe).



5) Constituants de la chane dnergie. 51) Les practionneurs. Dfinition. lment qui laisse passer l'nergie source l'actionneur sur ordre de la partie commande. (Le practionneur ralise l'interface de dialogue PCPO)

Explications. La partie commande envoie par l'intermdiaire de son circuit de commande un ordre de faible niveau pour tablir ou fermer un circuit de puissance. Suivant la prsence de ce signal, le practionneur distribuera lnergie source un actionneur (moteur, rsistance chauffante, lampe pour une nergie source lectrique, ou vrin, gnrateur de vide pour une nergie source pneumatique). Les composants les plus utiliss.

Si l'actionneur est ELECTRIQUE Si l'actionneur est PNEUMATIQUE OU HYDRAULIQUE le practionneur qui lui est associ est le practionneur qui lui est associ est

Le distributeur Le relais lectromagntique pour les faibles puissances

(cas de l'ouvre-portail)

Le contacteur pour les puissances leves

NB : Les practionneurs ci-dessus sont appels PREACTIONNEUR TOUT OU RIEN, c'est--dire quils sont une sorte dinterrupteur de la chane dnergie. Mais il existe aussi des practionneurs qui laissent passer seulement une partie de lnergie source, c'est--dire quils rgulent le dbit dnergie source, on parle alors de PREACTIONNEUR PROPORTIONNEL. Exemples : variateur de vitesse (utilis sur la capsuleuse de bocaux), hacheur (sur le maxpid), carte de puissance (sur la cordeuse de raquette).

52) Les actionneurs. Dfinition. lment qui convertit une nergie d'entre non directement utilisable par les mcanismes agissant sur la matire d'uvre en une nergie de sortie utilisable par ces mcanismes pour obtenir une action dfinie.

Explications. Afin d'agir sur la matire d'uvre, la partie oprative a besoin d'nergie de haut niveau. L'nergie source employe est le plus souvent de nature lectrique ou pneumatique, parfois hydraulique. Cette nergie source n'est pas directement utilisable et doit tre convertie (en gnral en nergie mcanique) : c'est la fonction des actionneurs.

Convertir l'nergie

Actionneur

nergie distribue (par le practionneur)

nergie convertie (en gnral mcanique)

Distribuer l'nergie

Practionneur

nergie distribue ( l'actionneur)

nergie source (lectrique, hydraulique,

pneumatique)

Ordres (provenant de la PC)



Les composants les plus utiliss. Les moteurs lectriques Les vrins pneumatiques ou hydrauliques

Moteurs courant continu Moteur courant alternatif

53) Les transmetteurs (ou adaptateurs). Dfinition. Lorsque l'on veut que l'nergie mcanique produite par l'actionneur ait des caractristiques bien prcises (frquence de rotation rduite, vitesse linaire alternative), on incorpore dans la chane d'nergie des adaptateurs d'nergie mcanique.

Les composants les plus utiliss. Les rducteurs de vitesse Les transformateurs de mouvement

BIELLE-MANIVELLE

CAME

ENGRENAGE

PIGNON-CREMAILLERE

CROIX DE MALTE

POULIE-COURROIE

PIGNON-CHAINE

EXCENTRIQUE

VIS-ECROU

Transmettre et adapter l'nergie

Transmetteur

nergie mcanique

nergie mcanique transmise et adapte

( l'effecteur)

Convertir l'nergie

Vrin pneumatique ou

hydraulique

nergie PNEUMATIQUE (air)

Ou HYDRAULIQUE (huile)

distribue (pression p, dbit q)

nergie MCANIQUE DE TRANSLATION

(position x, vitesse v)

Convertir l'nergie

Moteur lectrique

nergie LECTRIQUE distribue

(intensit i, tension u)

nergie MCANIQUE DE ROTATION

(position , vitesse )



6) Les effecteurs. Dfinition. Ce sont les lments terminaux. Ils agissent directement sur la matire d'uvre en vue de lui apporter une valeur ajoute. Ils convertissent l'nergie reue de l'adaptateur en une opration ou un effet sur la matire d'uvre.

Effecteurs pour une VA de type dplacement de matires duvres (tapis roulant, ventouse) Poser-Entraner :

Tapis roulant ou bande transporteuse ou convoyeur.

Pousser : Plaque pousseuse.

Saisir-Soulever : Ventouse.

Principe : Une (ou deux) bande(s) souple(s) entrane(nt) les pices par adhrence.

Principe : Une plaque rigide mobile pousse la M.O. selon une direction, dans un seul sens.

Principe : Lorsque la pression dair P alimente le gnrateur de vide, le jet dair turbulent entrane lair ambiant (effet Venturi) et le vide ainsi cre permet la saisie de la pice par la ventouse.

Actionneur associ : moteur lectrique. Actionneur associ : vrin pneumatique. Actionneur associ : gnrateur de vide.

Utilisation : Entranement rapide et continu de pices ayant une surface plane.

Utilisation : Dplacement en translation, dans un seul sens de pices prismatiques ou cylindriques.

Utilisation : Saisie de pices prsentant une surface plane, lisse et non poreuse. Augmenter le diamtre et/ou le nombre de ventouses selon la charge.

Effecteurs pour une VA de type transformation de matires duvres (outil, bol vibrant).

Effecteurs pour une VA de type stockage de matires duvres (goulotte, palette).

Couper (Modifier la forme) : Outil pour fraisage.

Orienter (Modifier la position) : Bol vibrant.

Contenir : Magasin ou goulotte.

Principe : Loutil coupant (fraise) est mis en rotation (Mc). La pice avance (Ma). chaque dent enlve de la matire.

Principe : Sous laction de vibrations, les pices montent sur une rainure hlicodale dans la bonne position.

Principe : Un paralllpipde creux de grande hauteur sert de contenant orient. Ncessit dune trappe T douverture.

Actionneur associ : moteur lectrique. Actionneur associ : moteur lectrique. Actionneur associ : AUCUN.

Utilisation : Usinage de surfaces planes (pices prismatiques) par fraisage (en roulant ou en bout).

Utilisation : Orientation de pices partir du vrac. Les pices mal orientes retombent dans le bac.

Utilisation : Stockage de pices de forme paralllpipdiques ou cylindriques.

Matire d'uvre +

Valeur Ajoute Matire d'uvre

Effecteur

nergie transmise et adapte l'effecteur

Agir sur la matire d'uvre



7) Constituants de la chane dinformation. 71) Les capteurs. Dfinition : lment qui :

prlve les tats (position, vitesse, temprature, force, pression) de la PO ou du milieu extrieur, puis les convertit en signaux exploitables (gnralement lectrique : tension ou intensit) sous forme :

- logique (0 ou 1), - ou analogique, - ou numrique, et enfin transmet ces signaux la PC.

(Le capteur ralise l'interface de dialogue POPC) Les capteurs TOR (Tout Ou Rien) ou capteurs logiques (2 valeurs). Ces capteurs transmettent une information de type binaire (donc deux tats). Peu coteux, ce sont gnralement des capteurs de position. Par exemple, ils indiquent si une pice est prsente ou non, si une tige de vrin est sortie. Ils ne permettent pas, en revanche, de mesurer sur toute une plage.

Les dtecteurs avec contact Les dtecteurs sans contact

Dtecteur lectromcanique

Dtecteur inductif

Dtecteur capacitif

Dtecteur photolectrique

Dtecteur magntique ou Interrupteur Lame Souple

(I.L.S.)

Les dtecteurs inductifs sont sensibles aux matriaux conducteurs. Lorsqu'on approche une pice mtallique du dtecteur, le champ magntique est modifi. Au del d'un certain seuil, l'objet a t dtect. Les dtecteurs capacitifs utilisent leffet d'un condensateur. Pour rappel, un condensateur est simplement deux matriaux conducteurs que l'on met en prsence l'un de l'autre mais sans contact. Ce condensateur possde une capacit dont la valeur dpend de la gomtrie du capteur. Si on vient mettre une pice entre les deux matriaux, la capacit est modifie et par la mme occasion, le champ lectrique. Leur domaine d'application est limit la dtection des liquides car leur cot est lev. Les dtecteurs photolectriques comportent une source lumineuse et un rcepteur photosensible. Ils permettent de dceler sans contact tous les matriaux opaques. Les dtecteurs magntiques ou Interrupteurs Lame Souple (I.L.S.) sont disposs sur les extrmits du corps dun vrin. Un aimant, plac lintrieur du piston, attire linterrupteur (ou la lame souple magntique) du capteur lorsque le piston est proximit du capteur. Les capteurs analogiques (infinit de valeurs). Ces capteurs transmettent une information prenant une infinit de valeurs. La grandeur de sortie est en relation directe avec la grandeur d'entre. Le principe est de traduire une modification dimensionnelle (due un effort, une pression) en variation de rsistance lectrique. Ces capteurs sont linaires (voir cours 04).

Jauge dextensiomtrie (capteurs deffort)

Les pressostats (capteurs de pression)

Les tachymtres (capteurs de

vitesse)

Les potentiomtres rsistifs (capteurs de dplacement)

Acqurir

Capteur

Grandeurs physiques acqurir

(position, vitesse, temprature, force, pression)

Images informationnelles exploitables

Signal de sortie



Les capteurs numriques (nombre limit de valeurs). Ces capteurs transmettent une information prenant un nombre limit de valeurs distinctes (comme tout signal numrique...). Les codeurs (capteurs de dplacement).

72) Les interfaces homme/machine. Elments qui prlvent, convertissent en signal exploitable et transmettent les consignes la Partie Commande. Exemples : Bouton poussoir, bouton coup de poing, potentiomtre, interrupteur de position, clavier...

73) Les Parties Commandes. Elments qui traitent les informations et grent le fonctionnement du systme. La ralisation matrielle des PC peut tre effectue :

en logique cble si la commande est pneumatique :

association de composants d'automatisme

en logique programme si la commande est lectrique : Automate programmable industriel (API),

ordinateur, carte lectronique.

Automates programmables Industriels

74) Les interfaces machine/homme. Elments qui permettent l'utilisateur d'tre inform sur l'tat du systme. Exemples : Voyant, alarme sonore, cran

Signal dentre Signal de sortie

Acqurir

Interface homme-machine

Consignes Images informationnelles exploitables

Traiter

Partie commande

Images informationnelles exploitables

(consignes et comptes rendus)

Informations traites (signalisations)

Informations traites (ordres)

Communiquer

Interface machine/homme

Messages Informations traites (signalisations)



8) Lnergie source. 81) Production de lnergie (EDF, compresseur dair). Lnergie source est en gnral fournie par un rseau : Lnergie lectrique est fournie par le rseau EDF sous forme dun courant alternatif monophas de tension 230 V avec une frquence de 50 Hz. Ce rseau comporte 3 fils (une phase, un neutre et la terre). Dans les entreprises de production pour des raisons conomiques, lnergie est distribue par un rseau triphas. Ce rseau comporte 5 fils (3 phases, un neutre et la terre) et permet davoir 3 tensions dphases de 230 V ou 3 tensions dphases de 400 V. Si lon ne peut se raccorder au rseau terrestre, on a recours dautres moyens : piles, accumulateurs, panneaux solaires Lnergie pneumatique est fournie par le rseau de distribution dair comprim dlivr par un compresseur. La pression dutilisation est souvent de 7 bar (1 bar = 105 Pa = 105 N/m2 = 0,1 MPa = 0,1 N/mm2). Avantages de lair comprim : nergie propre, facile mettre en uvre, grande vitesse, scurit pour les interventions humaines, simplicit et fiabilit des composants. Domaines dutilisation : outillage portatif, sablage, pulvrisation peinture, serrage, bridage, manutention

82) Adaptation si ncessaire de cette nergie. Adaptation de lnergie lectrique (transformateur et redresseur). Labaissement de la tension : le transformateur. Lorsque les tensions de 400 V ou 230 V ne sont pas compatibles avec les appareils alimenter, on a recours des transformateurs qui permettent de gnrer des tensions infrieures.

Le redressement du courant : le redresseur. Le courant dlivr par le rseau est un courant alternatif. Or de nombreux appareils fonctionnent en courant continu. On a donc recours des redresseurs. Adaptation de lnergie pneumatique (unit de conditionnement FRL).

Le filtre Le rgulateur de pression (manostat) et manomtre Le lubrificateur Lunit de conditionnement

FRL

Filtrer les poussires Asscher lair

Maintenir constante la pression dutilisation

Afficher la pression

Faciliter les glissements de tous les organes en mouvement

(pistons de vrin )

Regroupe les 3 lments prcdents

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