Chapitre Architectures fonctionnelle et...

Chapitre 2 Architectures fonctionnelle

et structurelle

Le 18 décembre 2013, le premier cœur artificiel Carmat est implanté chez un patient. La conception est le fruit de

quinze années de recherche collaborative entre des équipes médico-chirurgicales et des ingénieurs de Matra. Il met en

œuvre les technologies les plus récentes. Sa forme anatomique, son poids de 900 g et son volume de 0,75 l lui

autorisent une implantation compatible avec au moins 65 % des patients. À l'aide des capteurs de pression et de position,

l'électronique de contrôle, totalement embarquée, permet une régulation automatique en débit et en fréquence. Les

matériaux sont biocompatibles pour toutes les surfaces en contact avec le sang. Ses tests fonctionnels et d’endurance

drastiques garantissent une durabilité de 5 ans.

�� Objectifs

�� Ce qu’il faut connaître � La décomposition structurelle d’un système en chaîne d’information et chaîne d’énergie

� La fonction des différents constituants

� Le diagramme de définition de blocs

� Le diagramme de bloc interne

� Le diagramme paramétrique.

�� Ce qu’il faut savoir faire � Analyser un système d’un point de vue fonctionnel et structurel

� Identifier les données entrantes et sortantes d’une chaîne d’information

� Identifier les matières et énergies entrantes et sortantes d’une chaîne d’énergie

� Définir la fonction des différents constituants

� Décrire la structure interne du système en termes de parties, ports et connecteurs.

ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 37 ��

�� Résumé de cours

� Architecture d’un système pluritechnique

� Chaîne d’information / chaîne d’énergie Au sein des systèmes pluri techniques, on peut distinguer : – la chaîne d’information agissant sur les flux de données, – la chaîne d’énergie agissant sur les flux de matières et d’énergies.

� Méthode 2.1. Détermination des données, des énergies et des matières entrantes et sortantes associées à un système

� Fonctions génériques / schéma topo fonctionnel À la chaîne d’information et à la chaîne d’énergie, on peut en général associer les fonctions élémentaires suivantes :

Chaîne d’information

COMMUNIQUER

Chaîne d’énergie

Informations

destinées à

d’autres systèmes

et interfaces

Homme /

Machine

Ordres

TRAITER MEMORISER RESTITUER

ACQUERIR CODER

CHARGER STOCKER

ALIMENTER

MODULER DISTRIBUER

CONVERTIR TRANSMETTRE AGIR

Informations

issues d’autres systèmes et

interfaces

Homme /

Machine

Matières d’œuvre

Matières d’œuvre

+ Valeur ajoutée

Pertes

énergétiques

Grandeurs physiques à acquérir

Energies entrantes

� La chaîne d’énergie La chaîne d’énergie contribue à la réalisation de la fonction de service globale, en agissant sur la (ou les) matière(s) d’œuvre.

Données entrantes

Energies entrantes Matières entrantes

Données sortantes

Energies sortantes

Matières sortantes



Interface

�� 38 CHAPITRE 2

Elle est souvent la partie du système qui utilise une très grande quantité de l’énergie totale consommée.

CHARGER STOCKER

ALIMENTER

MODULER DISTRIBUER

CONVERTIR TRANSMETTRE

Energies

entrantes

Energie électrique,

pneumatique,

hydraulique

Energie mécanique,

pneumatique,

hydraulique

Ordres Energies disponibles

pour l’action

à effectuer

Prise réseau EDF, alimentation stabilisée, batterie, etc.

Préactionneurs : Contacteur, relais, variateur, distributeur, etc.

Actionneurs : Moteurs électriques, vérins linéaires et rotatifs, etc.

Transmetteurs : Embrayage, poulies / courroies, pignon / roue / chaîne, train d’engrenages, systèmes vis-écrou, transformateurs plans, etc.

Energie distribuée

L'énergie issue de la chaîne d’information est faible. Elle n'est pas suffisante pour être utilisable directement par les actionneurs.

La fonction d’un préactionneur est de distribuer une énergie importante en la modulant le cas échéant, sous l'action d'une énergie de commande (ordre) plus faible. Le transmetteur adapte l’énergie en provenance de l’actionneur pour la donner l’effecteur. L’effecteur est le dernier élément de la chaîne d’énergie, il agit directement sur la matière d’œuvre (pince, convoyeur, ventouse, etc.).

� Méthode 2.2. Définition de la chaîne d’énergie d’un système

� La chaîne d’information La chaîne d’information permet notamment : – d’acquérir des informations : - sur l’état d’un produit ou de l’un des constituants de la chaîne d’énergie, - issues d’interfaces Homme/Machine, - élaborées par d’autres chaînes d’information ; – de les coder si nécessaire ; – de traiter ces informations ; – de communiquer : - les ordres à la chaîne d’énergie, - les messages destinés aux interfaces Homme/Machine, - les messages à d’autres chaînes d’information.

ACQUERIR CODER


COMMUNIQUER

Grandeurs

physiques,

consignes

Informations traitées Ordres,

messages

Détecteurs TOR, capteurs analogiques, claviers,

codeurs incrémentaux, etc.

Automates programmables, cartes électroniques, ordinateurs, logiciels, etc.

Images informationnelles

Commandes TOR, écrans,

liaisons « série », WIFI, Bus CAN, etc.


Pour acquérir une grandeur physique (force, température, etc.) ou une consigne, les constituants utilisés sont des capteurs. Ils restituent une image de la grandeur physique mesurée sous une sous forme logique, numérique ou analogique exploitable par l’unité de traitement.

� Méthode 2.3. Définition de la chaîne d’information d’un système

� Chaîne fonctionnelle d’un système technique Une chaîne fonctionnelle (ou axe) est un sous-ensemble d’un système technique. Elle permet de réaliser une des fonctions élémentaires (transférer, réguler, positionner, main-tenir, transformer, etc.) participant à la réalisation de la fonction globale du système. On lui associe un couple unique préactionneur / actionneur.

� Chaîne d’action / chaîne d’acquisition Une chaîne fonctionnelle comporte en général : – la chaîne d’action, du traitement à son effet ; – la (ou les) chaîne(s) d’acquisition : - d’information(s) sur le produit ou le processus, - d’information(s) extérieure(s) (consigne(s) de l’opérateur, etc.) ; – la partie traitement qui traite les informations pour élaborer les ordres à destination de la chaîne d’action.

Préactionneur

Actionneur

Capteur(s)

Grandeur(s) physique(s)

Unité de traitement

Ordres Energie distribuée Energie mécanique

Grandeur(s) image(s) de la (ou des) grandeur(s) physique(s) à mesurer

Chaîne d’acquisition

Chaîne d’action

Tra

item

ent

Module de

sortie(s)

Module de

dialogue(s) Module

d’entrée(s)

Transmetteur et

effecteur

Energie mécanique adaptée à la réalisation d’une fonction élémentaire

Consignes Informations d’état du système

Energie en attente

� Méthode 2.4. Identification des différents constituants associés à une chaîne fonctionnelle


� Les outils de modélisation structurelle SysML

� L’élément de type bloc La notion de bloc (block) est essentielle dans l’analyse des systèmes. C’est une entité qui peut être de nature matérielle (constituant, être humain, etc.) ou conceptuelle (algorithme, logiciel, etc.). Avec le formalisme SysML, on peut associer à un bloc des propriétés (properties) structurelles et comportementales : – valeurs (values) : caractéristiques avec valeur, dimension, etc. ; – parties (parts) : sous-ensembles inclus obligatoirement ; – fonctions (operations) : fonctionnalités disponibles. Les requêtes peuvent alors être synchrones (l’émetteur attend un retour pour poursuivre), ou asynchrone (pas d’attente de retour) ; – ports (ports) : ils permettent de montrer des interactions bidirectionnelles ou unidirectionnelles, services (interfaces) ou flux (flow) physiques.


� Le diagramme de définition de blocs Le diagramme de définition de blocs (blocks definition diagram ou bdd) est un diagramme normalisé SysML. Il permet de décrire : – les caractéristiques structurelles grâce aux propriétés structurelles ; – les caractéristiques comportementales par le biais des fonctions ; – les relations entre blocs, avec notamment :

– l’association (trait plein simple) : indique une relation d’égal à égal entre blocs. Leur présence est simultanée ; – la composition (trait plein et losange plein) : représentation graphique équivalente aux propriétés de type « parts », c’est une relation d’inclusion obligatoire. Elle est très utilisée pour montrer la structure hiérarchique d’un système ; – l’agrégation (trait plein et losange évidé) : c’est une relation d’inclusion non obligatoire ; – la généralisation / spécialisation (trait plein et triangle évidé) : selon le sens de lecture, un bloc se généralise ou se spécialise en un autre. Dans ce dernier cas, il hérite alors des propriétés du bloc généralisé, il en a souvent des supplémentaires ; – la dépendance (trait en pointillés et flèche) : un bloc a un comportement qui dépend d’un autre.

� Méthode 2.5. Construction et lecture d’un diagramme de définition de blocs


� Le diagramme de bloc interne Le diagramme de bloc interne (internal bloc diagram ou ibd) est un diagramme normalisé SysML. Il permet de décrire : – la structure interne d’un système : il montre les parties de même niveau hiérarchique. Les sous-ensembles liés au système par une relation de composition sont en trait plein, les autres en pointillés. Chaque boîte représente une ou plusieurs instances de bloc par le biais des multiplicités. Elles possèdent les mêmes propriétés structurelles et fonctionnelles ; – l’utilisation des sous-systèmes dans un contexte donné : on montre leurs connections par le biais des connecteurs joignant les ports : les flux physiques pour les ports de flux, et les services fournis ou requis pour les ports standards.

� Méthode 2.6. Construction et lecture d’un diagramme de bloc interne

� Le diagramme paramétrique Le diagramme paramétrique (parametric diagram ou par) est un diagramme normalisé SysML. Par le biais de relations ou contraintes (constraints) paramétriques, il permet de montrer des lois de comportement entre certaines propriétés d’un bloc. Couplé à des fonctionnalités de simulation de certains logiciels comme « Cameo » avec « MagicDraw », le diagramme paramétrique est un préalable à la validation de certains aspects du comportement d’un système, de certaines exigences.


On définit les contraintes dans un diagramme de définition de blocs :

Les paramètres sont représentés par des ports dans le diagramme paramétrique d’un bloc. On les relie aux valeurs indiquées dans les propriétés (values). On donne le cas du sous-ensemble « bloc » défini ci-dessus :

La modélisation n’est pas causale, les liens ne sont pas orientés. La contrainte 1 aurait pu être écrite de la manière équivalente : paramètre 1 = paramètre 2 – K. On notera aussi que le diagramme paramétrique est en fait une spécialisation du diagramme de bloc interne. C’est pour cela qu’il est classé dans les diagrammes de structure, même s’il contribue à définir le comportement d’un système. Les valeurs déterminées par les relations mentionnées pourront ensuite être utilisées dans des diagrammes SysML de type comportementaux.

� Méthode 2.7. Construction et lecture d’un diagramme paramétrique


�� Méthodes

� Comment définir l’architecture d’un système pluritechnique ?

� Méthode 2.1. Détermination des données, des énergies et des matières entrantes et sortantes associées à un système

Il faut commencer par délimiter une frontière d’étude entre le système et le milieu extérieur, puis : – Recenser toutes les informations échangées entre le système le milieu extérieur. – Définir les matières d’œuvre et la valeur ajoutée. – Identifier les énergies entrantes nécessaires aux constituants de la chaîne d’éner-gie. Les énergies sortantes sont différentes (notamment des pertes).

� Exercice 2.1, Exercice 2.2, Exercice 2.3, Exercice 2.4 Exemple : système « régulateur de vitesse » d’une automobile

A : Touche « reprendre » B : Touche « suspendre » C : Touche « + » D : Touche « – »



Interface

Consigne de vitesse, mise en

marche/arrêt, appui sur la

pédale de frein,

d’accélérateur, vitesse réelle Informations visuelles

Energie électrique 12 V

Pertes énergétiques

Automobile

Automobile avec vitesse régulée

automatiquement


Méthodes

� Méthode 2.2. Définition de la chaîne d’énergie d’un système

Il est possible de partir des différents actionneurs associés aux différentes chaînes fonctionnelles. On poursuit ensuite la chaîne d’action avec les transmetteurs. À chacun des actionneurs est associé en amont un préactionneur que l’on reconnaîtra. Les constituants permettant d’alimenter seront alors facilement identifiables. Pour chacun des constituants, il faut définir le type d’énergie entrante et sortante en fonction de la technologie qu’il utilise. Les pertes sont globalement regroupées en énergies sortantes pour le système étudié.

� Exercice 2.2, Exercice 2.4 Exemple : scooter électrique Peugeot

Poulie

réceptrice

Roue

arrière

Engrenage

pignon / Roue

Frein à tambour

Poulie

motrice

Courroie

crantée

Moteur

électrique

CHARGER STOCKER

ALIMENTER

MODULER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

Energie électrique

EDF

Energie électrique

Energie mécanique

de rotation

Ordres Energie

mécanique de

rotation adaptée

Chargeur Batterie

Variateur de vitesse électronique (hacheur)

Moteur électrique à courant continu

Réducteur à engrenages, système poulies / courroie, frein à tambour.

Energie électrique

distribuée


� Méthode 2.3. Définition de la chaîne d’information d’un système

À chaque grandeur acquise ou communiquée, il faut rechercher un constituant. Certains d’entre eux peuvent intervenir plusieurs fois selon le niveau de la décomposition structurelle. Pour définir l’unité de traitement, il faut rechercher dans le système qui est le « cerveau ». Dans les systèmes modernes, la nature des informations est électrique. Celles délivrées par les capteurs, sont toujours l’image de quelque chose.

� Exercice 2.3, Exercice 2.4 Exemple : scooter électrique Peugeot

ACQUERIR CODER


COMMUNIQUER

Courant moteur,

tension batterie,

Vitesse de rotation

roue motrice

Informations traitées

Ordres de

commande moteur

Carte électronique, détecteurs inductifs, potentiomètre rotatif, clavier,

détecteurs TOR

Carte électronique de

traitement


Commandes TOR, tableau

de bord, bruiteur, carte électronique, feux, voyants.

Consignes conducteur

Position béquille, Selle verrouillée,

Données diagnostic

Signalisation routière

visuelle et sonore, informations conducteur

� Méthode 2.4. Identification des différents constituants associés à une chaîne fonctionnelle

Définir la fonction élémentaire correspondant à la chaîne fonctionnelle étudiée. Rechercher alors l’actionneur employé, puis l’ensemble des transmetteurs associés, ainsi que le préactionneur. Pour la recherche des capteurs, il peut y avoir plusieurs chaînes d’acquisition selon le degré de complexité. La partie commande s’identifie en se demandant qui est le « cerveau » du système. On notera toutefois que pour certains systèmes complexes, il peut y avoir plusieurs unités de traitement et des niveaux de commandes hiérarchisés.

� Exercice 2.5


Méthodes

Exemple : station de peinture

La station de peinture présentée fait partie d’une chaîne de fabrication de camions. La fonction globale du système est de peindre des cabines. Les matières d’œuvre sont l’ensemble « luge + cabine » et la peinture. Plusieurs robots sont utilisés : deux latéraux et un de toit.

Robot latéral

X

Y

Z

Cabine

Luge

Robot de toit

Pulvérisateurs de

peinture

Détecteur

droit ED

Détecteur

gauche EG

STATION DE PEINTURE ENTREE DE ZONE

Robot latéral

Déplacement

de la luge

Bol de

pulvérisation

Amortisseur hydraulique

Courroie de transmission

Moto-réducteur horizontal (X) 0,25 kW Z

X

αααα

Moto-réducteur altitude (Z) 1,5 kW

Pulvérisateur

Moto-réducteur angulaire (αααα) 0,25 kW

Z

X


L’étude la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral » peut conduire à la décomposition structurelle donnée ci-dessous :

Variateur

électronique

Moteur électrique

asynchrone

Codeur incrémental

Angle rotation arbre moteur

Carte d’axe

et modules E/S

Ordres Energie électrique distribuée

Energie mécanique de rotation

Informations électriques images

Chaîne d’acquisition

Chaîne d’action

Trait

emen

t

Réducteur et

système poulies / courroie

Energie mécanique de translation

Consignes Informations d’état du système

Réducteur et système

poulies / courroie

(Vers système de niveau hiérarchique supérieur)

Détecteurs TOR

Position bol de pulvérisation

Energie électrique en attente

� Comment utiliser les outils de modélisation structurelle SysML ?

� Méthode 2.5. Construction et lecture d’un diagramme de définition de blocs

Pour aller du général au particulier, on utilise des relations de composition et d’agrégation. Les niveaux de décomposition ne doivent pas être trop nombreux pour faciliter la lecture. Il est possible de décomposer des blocs « constituant » dans d’autres diagrammes de définition de blocs. Les relations d’association, de dépendance et de généralisation / spécialisation montrent des liens de niveau hiérarchique en général identique.

� Exercice 2.5, Exercice 2.6


Méthodes

Exemple : Station de peinture

� Méthode 2.6. Construction et lecture d’un diagramme de bloc interne

Les différents blocs à l’intérieur du diagramme montrent la constitution du système décrit. Il s’agit des parties qui sont de même niveau hiérarchique. Par le biais des ports et connecteurs, on indique alors les flux de grandeurs physiques ainsi que les services requis ou fournis.

� Exercice 2.5, Exercice 2.6 Exemple : Station de peinture

En reprenant la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral », on peut aboutir au diagramme de bloc interne suivant :


� Méthode 2.7. Construction et lecture d’un diagramme paramétrique

Les blocs avec le stéréotype « constraint » décrivent les lois de comportement liant les paramètres. Dans un diagramme paramétrique, ils ont les coins arrondis. Les connecteurs lient soit deux ports, soit un port avec un bloc « valeur ». La lecture est identique à un diagramme de bloc interne.

� Exercice 2.5 Exemple : Station de peinture

En reprenant la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral », on peut s’intéresser au bloc « réducteur et système poulies / courroie ». Le réducteur transforme un mouvement de rotation de vitesse angulaire « we » en un mouvement de rotation à la vitesse angulaire « ws ». La loi de comportement est ws = k × we. Le bol pulvérisateur est solidaire de la courroie (encastré). Il se déplace donc à la même vitesse linéaire Vs que celle-ci. La relation liant les paramètres est alors Vs = R × ws où R est le rayon de la poulie. On définit ces contraintes à l’aide d’un diagramme de blocs :

Le diagramme paramétrique peut alors être le suivant :

ou plutôt :


�� Vrai/Faux

Vrai Faux

1. La chaîne d’information n’a pas besoin d’énergie pour fonctionner. � �

2. Tous les systèmes techniques ont une chaîne d’information. � �

3. L’énergie est la matière d’œuvre d’un actionneur. � �

4. Un codeur incrémental est un capteur. � �

5. Un distributeur pneumatique est un transmetteur. � �

6. Un système technique est toujours mécanisé. � �

7. Un système pignon / roue / chaîne est un transmetteur. � �

8. Le contacteur électrique est un préactionneur du moteur électrique. � �

9. Un système technique peut être composé de plusieurs chaînes fonctionnelles. � �

10. Une chaîne fonctionnelle ne contient qu’une chaîne d’action. � �

11. Une chaîne fonctionnelle a toujours une ou plusieurs chaînes d’acqui-sition. � �

12. Un potentiomètre rotatif est un actionneur. � �


�� Énoncé des exercices

� Architecture d’un système pluritechnique

� Exercice 2.1 Le distributeur automatique de café « DISPENSER D10 » est utilisé dans les cafétérias, brasseries et centres de restauration rapide. Il permet de distribuer la boisson à partir de grains de café et d’eau. Le client a le choix entre deux options : café « court » ou café « long ». On distingue trois tâches élémentaires indépendantes :

– Élaboration de la mouture (y compris le dosage), – Préparation de l’eau (chauffage et dosage), – Élaboration de la boisson (café chaud).

Le doseur d’eau, la pompe et l’électrovanne ne sont pas visibles sur la photo ci-dessus.

Pour le système « DISPENSER D10 » : définir les données entrantes et sortantes de la chaîne d’information ; définir les énergies et matières entrantes et sortantes de la chaîne d’énergie.


� Exercice 2.2* Le système objet de l’étude est un fauteuil roulant électrique « POSITELEC 90 ». Afin de répondre au besoin d’autonomie des utilisateurs, les fauteuils roulants sont électriquement motorisés. La motricité est assurée par deux moteurs électriques à courant continu commandant séparément une des deux roues arrière afin de diriger le fauteuil. Les roues avant sont montées « folles » (libres dans leurs mouvements). L’asservissement de la vitesse et la commande de puissance des motoréducteurs sont effectués par une carte électronique appelée variateur. Les motoréducteurs sont équipés de freins électromécaniques à manque de courant, commandés en tout ou rien. Le boîtier de commande supporte cinq éléments nécessaires à la conduite : – un bouton Marche-Arrêt, – un joystick qui permet de se diriger, – un potentiomètre qui sert à moduler

la vitesse, – un afficheur lumineux de type

« bargraph » qui indique l’autonomie de la batterie,

– un afficheur de panne. La carte de commande à microcontrôleur est chargée de la commande du variateur, de la gestion des pannes, de la configuration et de l’aide au dépannage. Elle est disposée dans un coffret qui renferme aussi la partie puissance, près des moteurs, à l’arrière du fauteuil. La configuration et l’aide au dépannage sont assurées par une mini console de visualisation. L’utilisateur doit venir le connecter à l’arrière du coffret variateur. En fonctionnement normal, un moteur transmet par l’intermédiaire de deux étages de réduction la puissance à chacune des roues. Lorsque les moteurs ne sont pas alimentés, le fauteuil est par sécurité automatiquement freiné par le frein à manque de courant. Pour le système fauteuil « POSITELEC 90 », construire le schéma topo fonctionnel montrant l’architecture de la chaîne d’énergie.

Frein à manque de courant

Moteur électrique

Arbre de sortie lié

à la roue arrière

Pignon moteur

Pignon intermédiaire

arbré

Roue de sortie

Roue arbre

intermédiaire

Moteur + réducteur roue droite

Coffret : - variateur - carte de commande

Boîtier de commande

Moteur + réducteur roue gauche

Moteur + réducteur roue droite

Console de configuration et de visualisation

Batterie

Coffret : - variateur - carte de commande

Figure 1


� Exercice 2.3 Le système étudié permet l’ouverture et la fermeture d’une porte de TGV. La figure suivante montre l'interface assurant, à partir des informations délivrées par l'unité centrale de commande, la fermeture hermétique et le verrouillage de la porte. L'ordre de fermeture de la porte est donné soit par un appui sur le bouton situé sur la porte, soit par un ordre fourni par le conducteur depuis son pupitre. L'information est traitée par l'unité centrale qui pilote un moteur électrique permettant, dans un premier temps, de fermer la porte grâce à un mécanisme pignon / crémaillère et un mécanisme de manœuvre puis, dans un deuxième temps, lorsque la position de fermeture est détectée, de verrouiller la porte. La détection de la position fermée enclenche également le gonflage des joints assurant une fermeture hermétique. L'information de fin d'opération est transmise sur le pupitre du conducteur.

Pour le système « Porte de TGV », construire le schéma topo fonctionnel montrant l’archi-tecture de la chaîne d’information.

D'après concours Centrale-Supélec


� Exercice 2.4** Le système étudié est la Direction Assistée Électrique de la voiture TWINGO de RENAULT. En plus du système mécanique classique, l'ensemble d'assistance est constitué notamment d’un calculateur et d’un motoréducteur accouplé à la colonne de direction. Le calculateur permet, à partir de paramètres mesurés par des capteurs sur l evéhicule, de mettre en service le motoréducteur pour assister le conducteur dans ses manœuvres de parking ou à basse vitesse.

Motoréducteur Volant Double cardan Moteur électrique

Embrayage

électromagnétique Réducteur

roue / vis sans fin

Capteur de couple

Barre de torsion

Le système doit assister le conducteur dès la mise en rotation du volant. Un capteur de couple informe le calculateur de l’intensité du couple exercé sur le volant. Le motoréducteur est alors commandé en fonction du couple exercé par l’utilisateur sur le volant mais aussi en fonction de la vitesse du véhicule. En effet, une assistance élevée offre un confort de manœuvre à l’arrêt ou à faible vitesse. Elle n’est plus nécessaire à haute vitesse car les braquages sont réduits et l’effort au volant ne doit pas être trop assisté pour des raisons de sécurité de conduite. D’ailleurs, à partir du seuil de vitesse (environ 74 km/h) où le confort de la direction traditionnelle est suffisant, le moteur électrique n’est plus alimenté. En cas de surintensité dans le circuit de puissance, le calculateur coupe l’alimentation du moteur. Pour le système « Direction Assistée Électrique TWINGO », construire le schéma topo fonctionnel montrant l’architecture de la chaîne d’information, de la chaîne d’énergie et de leurs échanges.


� Exercice 2.5* Le système étudié est un poste de tests et d’assemblage de disjoncteurs. Le disjoncteur est fabriqué et assemblé sur une chaîne de transfert libre qui dessert des modules indépendants :

Au cours de son assemblage, le disjoncteur est toujours transporté par la même palette. Chaque palette est constituée d'un support matériel permettant de maintenir le disjoncteur au cours de son évolution et d'un espace mémoire destiné à tenir à jour les opérations déjà réalisées. Chaque module est constitué de postes de travail qui accomplissent des opérations élémentaires de fabrication, d'assemblage, ou de tests. Chaque module est géré par un automate programmable, qui synchronise toutes les opérations à réaliser. Le poste d'aiguillage d'entrée prélève une palette avec son disjoncteur si les opérations précédentes ont été réalisées et si les postes du module sont vides. Sinon, la palette reste sur la chaîne en passant par le poste d'aiguillage de sortie et continue à circuler (transfert libre). Le module de finition est constitué de deux postes :

– le poste de tests électriques, – le poste d'assemblage du bouton.

Les deux postes sont alimentés en énergie électrique et pneumatique, une source de courant particulière est nécessaire pour les tests électriques. Le module de finition reçoit des consignes de tests selon les différents calibres.

Corps du disjoncteur avant les tests

Disjoncteur équipé d’un bouton

Carré de

manœuvre


Le diagramme de définition de blocs du système « module de finition » avec ses deux postes est proposé ci-dessous :

La structure du poste de tests est décrite ci-dessous et sur la page suivante. La partie commande intègre le traitement des informations et la distribution de l’énergie vers les actionneurs.

On distingue trois chaînes fonctionnelles mécanisées :

– Monter / Descendre pour établir les contacts d’avant tests ; – Tourner le carré de manœuvre du disjoncteur ; – Escamoter la butée pour tourner le carré de manœuvre dans une troisième position de test.

Toutes les chaînes fonctionnelles sont munies de détecteurs TOR magnétiques (voir page suivante). 1. Proposer une modification du diagramme de définition de blocs du système « module de

finition » pour faire apparaître les chaînes fonctionnelles. 2. Pour chacune des chaînes fonctionnelles du poste de tests, définir : l’actionneur, les

transmetteurs, les capteurs.


3. On s’intéresse à la chaîne fonctionnelle « Tourner le carré de manœuvre du disjoncteur ».

Compléter le diagramme de bloc interne ci-dessous. On indiquera les parties, ports et connecteurs manquants. On complètera avec la nature des flux physiques.


Platine FAAC 455 D

4. On définit les contraintes suivantes pour le bloc « système pignon crémaillère » :

Que représente le paramètre « R » ? Compléter le diagramme paramétrique du système « pignon crémaillère » ci-dessous :

� Exercice 2.6 On s’intéresse au système automatisé FAAC décrit dans les méthodes du chapitre 1.

La platine électronique 455 D située dans l’armoire de commande peut être utilisée pour tous les actionneurs électromécaniques et oléodynamiques de la société FAAC.

1 : Actionneur FAAC 402

2 : Lampe clignotante

3 : Bouton poussoir à clé

4 : Armoire de commande

5 : Antenne H.F.

6 : Cellules photoélectriques

7 : Serrure électrique


Elle intègre l’interface de puissance qui est chargée de distribuer l’énergie à l’actionneur. L’actionneur FAAC 402 est électro-hydraulique. Le microcontrôleur de la carte électronique commande par l'intermédiaire d'une interface de puissance un moteur asynchrone qui met en mouvement une pompe hydraulique, fournissant l’énergie nécessaire à un vérin hydraulique, entraînant l'ouverture ou la fermeture du battant.

1. Construire un diagramme de définition de blocs montrant la constitution d’un actionneur

FAAC 402. 2. Compléter le diagramme de bloc interne d’un actionneur FAAC 402 :


On donne pour le vérin hydraulique une description des contraintes entre certains paramètres :

3. Compléter le diagramme paramétrique du vérin hydraulique :

� Pour vous aider à démarrer

Exercice 2.1. Les données entrantes émanent ici du choix de l’utilisateur (café court ou long), ainsi que de la présence de pièces ou de jetons. La matière d’œuvre est ici matérielle : eau et grains de café. Exercice 2.2. La carte variateur est le préactionneur des moteurs. C’est donc elle qui module et distribue l’énergie électrique. Exercice 2.4. On retrouve l’ensemble « calculateur DAE » dans toutes les fonctions de la chaîne d’information, ainsi que pour les fonctions moduler et distribuer.


�� Corrigé des vrai/faux

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

faux faux vrai vrai faux faux vrai vrai vrai vrai faux faux

1. La chaîne d’information est généralement constituée d’un ou plusieurs éléments alimentés en énergie. Pourtant ceci n’apparaît pas sur la représentation topo fonctionnelle. 2. Certains systèmes n’ont pas de chaîne d’information. Il n’y a pas d’acquisition d’information et c’est l’homme qui gère le fonctionnement. 3. La matière d’œuvre d’un actionneur est l’énergie puisque sa fonction est de la convertir. 4. Le codeur incrémental est un capteur qui permet d’avoir l’image d’un déplacement le plus souvent angulaire, sous forme d’un signal électrique en créneaux. 5. Le distributeur pneumatique est le préactionneur du vérin pneumatique. À partir d’un signal de commande (électrique, mécanique, etc.), il oriente un flux d’air comprimé pour provoquer la rentrée ou la sortie de la tige du vérin. 6. Un système technique n’est pas forcément mécanisé. Par exemple, le processeur d’un ordinateur est bien un ensemble technique conçu pour répondre à un besoin mais il ne contient pas de partie mécanique. 7. Le système pignon / roue / chaîne est bien un transmetteur puisqu’il ne modifie pas le type d’énergie, elle est toujours de type mécanique en entrée et en sortie. 8. Le contacteur électrique est bien un préactionneur du moteur électrique. Il libère ou non une énergie électrique en attente sous l’action d’un ordre électrique ou mécanique le plus souvent. 9. Un système technique peut être composé d’une ou plusieurs chaînes fonctionnelles qui participent chacune à leur façon à la réalisation de la fonction globale. 10. Une chaîne fonctionnelle ne peut contenir qu’une chaîne d’action car elle n’utilise qu’un seul actionneur. 11. Une chaîne fonctionnelle peut ne pas avoir de chaîne d’acquisition si elle n’utilise aucune information issue d’un capteur pour commander le préactionneur. 12. Le potentiomètre rotatif est un capteur permettant de mesurer un déplacement angulaire et restituer son image sous la forme d’un signal analogique.

� Les erreurs classiques

La décomposition structurelle de la chaîne d’information et de la chaîne d’énergie n’est pas forcément identique pour tous les systèmes. Il faut donc être capable de raisonner correctement sur la fonction des différents constituants et d’adapter le formalisme présenté à un cas particulier d’étude. La culture des solutions techniques est donc nécessaire dans ce domaine.


Corrigé

Corrigé des exercices

_________ Exercice 2.1_______________________________



Interface

Pièces ou jetons Consignes utilisateur

(court, long) Informations visuelles

Energie électrique réseau EDF


Eau

Grains de café

Boisson chaude

� Méthode 2.1

_________ Exercice 2.2_______________________________

Fauteuil en

position initiale

Déplacer

le fauteuil

Pertes

énergétiques STOCKER ALIMENTER

MODULER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

Energie électrique

EDF

Energie électrique

Energie mécanique

de rotation

Ordres émanant de la carte de commande

Energie mécanique de rotation

Batterie Carte variateur

2 Moteurs électriques

2 trains d’engrenages à deux étages de réduction 2 freins à manque de courant 2 roues motrices

Energie électrique

distribuée

Fauteuil en

position finale

� Méthode 2.1, Méthode 2.2

_________ Exercice 2.3_______________________________

ACQUERIR CODER


COMMUNIQUER

Pression de contact Position de la porte

Informations traitées

Ordres de

commande moteur

Capteur de pression Détecteur TOR Bouton poussoir Pupitre conducteur Bouton d’urgence

Unité centrale


Unité centrale Pupitre conducteur

Demande normale

d’ouverture / fermeture (passager ou conducteur)

Demande d’ouverture en

urgence

Informations conducteur

� Méthode 2.1, Méthode 2.3


_________ Exercice 2.4_______________________________



ACQUERIR

CODER

Capteur de vitesse véhicule Capteur de couple au volant Calculateur DAE

Calculateur DAE

Calculateur D.A.E.

Moteur

Réducteur, Embrayage, Cardans, Pignon /crémaillère, biellettes de direction, fusées de roues.

Calculateur DAE

Consigne volant Image vitesse véhicule

Intensité moteur

TRAITER MEMORISER

RESTITUER COMMUNIQUER

Commande moteur

Energie électrique MODULER

DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

Roues en position

initiale

Roues manœuvrées

avec assistance


Energie électrique

Energie mécanique

Batterie

STOCKER

ALIMENTER

Energie électrique

Commande embrayage

Manœuvrer

les roues

� Méthode 2.1, Méthode 2.2, Méthode 2.3

_________ Exercice 2.5_______________________________

1. On peut proposer le diagramme de définition de blocs suivant :

Il est aussi possible de faire comme sur la page suivante.


Corrigé

� Méthode 2.5

2.

MONTER / DESCENDRE TOURNER le carré de manœuvre ESCAMOTER la butée

Actionneur Vérin A Vérin B Vérin C

Transmetteur Aucun Système pignon / crémaillère Aucun

Capteurs S1, S2 S3, S4, S5 S6

� Méthode 2.4

3.

� Méthode 2.6


4. Le paramètre « R » modélise le rayon primitif du pignon. Le diagramme paramétrique du système « pignon crémaillère » est le suivant :

� Méthode 2.7

_________ Exercice 2.6_______________________________

1. Diagramme de définition de blocs de l’actionneur FAAC 402 :

� Méthode 2.5


Corrigé

2. Diagramme de bloc interne de l’actionneur FAAC 402 :

� Méthode 2.6

3. Diagramme paramétrique du vérin hydraulique :

� Méthode 2.7

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