C01Sciences Industrielles pour l'Ingénieur Cours 1 - 1/13
ETUDE DES SYSTEMES Table des matières : I. CONTEXTE .............................................................................................................................................. 2
1. Historique des systèmes industriels .................................................................................................. 2 2. Conception d’un système innovant (actuel) ...................................................................................... 2
a. L’entreprise .................................................................................................................................... 2 b. Cycle de conception ....................................................................................................................... 3
II. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DES SYSTÈMES ........................................................................................... 3 1. Définitions .......................................................................................................................................... 3
a. Système .......................................................................................................................................... 3 b. Composant et organisation ........................................................................................................... 3 c. Frontière ........................................................................................................................................ 4
2. Matière d’œuvre et valeur ajoutée ................................................................................................... 4 a. Fonction Globale ............................................................................................................................ 4 b. Matière d’œuvre ............................................................................................................................ 4 c. Valeur ajoutée ............................................................................................................................... 4 d. Données de contrôle ..................................................................................................................... 5
3. Classification des systèmes ................................................................................................................ 5 a. Contexte ou domaine d’application .............................................................................................. 5 b. Critères Technico-économiques .................................................................................................... 5
4. Prestation du système étudié ............................................................................................................ 5 III. ANALYSE DU BESOIN ET ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN (ou externe) ................................. 5
1. Introduction ....................................................................................................................................... 6 a. Objet .............................................................................................................................................. 6 b. Cycle de vie d’un produit industriel ............................................................................................... 6
2. Analyse du Besoin .............................................................................................................................. 7 a. Objet .............................................................................................................................................. 7 b. Expression et caractérisation du besoin ........................................................................................ 7 c. Validation du besoin ...................................................................................................................... 7
3. Analyse fonctionnelle du besoin........................................................................................................ 7 a. Diagramme des intéracteurs (ou pieuvre) .................................................................................... 7 b. Fonctions de Service ...................................................................................................................... 8
4. Caractérisations des fonctions de service ......................................................................................... 8 IV. Analyse Fonctionnelle Technique d’une solution (ou interne) ......................................................... 9
1. Retour sur le bloc Concevoir.............................................................................................................. 9 2. Description fonctionnelle (outil FAST de description) ....................................................................... 9
a. Définition ....................................................................................................................................... 9 3. Description structurelle (outil SADT - Structured Analysis for Design and Technic) ......................... 9
V. ARCHITECTURE D’UNE CHAÎNE FONCTIONNELLE ............................................................................ 11
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I. CONTEXTE
1. Historique des systèmes industriels
L’être humain ne cesse de créer et optimiser des outils et techniques pour améliorer son quotidien et sa productivité. Historiquement, cette progression peut se résumer en 3 grandes étapes ( Figure 1):
• Jusqu’à la fin du XVIIième siècle : travail essentiellement manuel
• XVIIIième et XIXième siècles : mécanisation forte, utilisation de nouvelles sources d’énergies
• XXièmesiècle : développement de l’automatisation, de l’informatisation et de l’organisation scientifique du travail.
Les systèmes créés sont devenus très complexes. Prenons par exemple le cas d'un véhicule moderne dans lequel cohabitent un grand nombre de sous-ensembles en liaisons les uns les autres : la chaîne de transmission de puissance (elle-même dissociable en plusieurs sous-ensembles : moteur, boite de vitesse, embrayage, différentiel…), les différents circuits électriques et hydrauliques (direction assistée, freinage, anti-patinage, contrôle actif de trajectoire), le système d'aération (avec la climatisation), le système de suspension (éventuellement hydraulique), les zones de renforts et les systèmes de sécurité passive etc. La conception d’un tel système nécessite des outils performants.
X X
Montage de la garniture du toit : opération réalisée
par un robot
implantation mécanique du coupé Z3
disposition des systèmes de sécurité passive de l'Audi TT version Coupé
Figure 1 : historique sur le développement des systèmes industriels
2. Conception d’un système innovant (actuel)
a. L’entreprise
Produit industriel
Le produit industriel constitue la réponse d’une entreprise aux besoins des utilisateurs.
Le produit industriel permet à l’entreprise de vivre, de se développer au sein d’un marché concurrentiel.
Pour cela, elle doit conserver le client et attirer de nouveaux clients. Elle doit donc satisfaire le client, c’est à dire répondre au mieux à son besoin.
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Figure
Dans l’industrie, à chaque phase de conception (
• Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges (document contractuel)
• Décrire le système en cours de réalisation ou ceux des concurrents
• Vérifier et optimiser au fur et à mesure la solution L’entreprise veille à maîtriser développement.
II. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DES SYSTÈMES
Nous allons introduire dans ce paragraphe les principales caractéristiques d’un système industriel, en le considérant comme une boîte noire
1. Définitions
a. Système
Un système est l’association de composants constituant un tout organique complexe destiné à remplir une fonction générale. (NF E 90.001)
Un système industriel, ou produit industriel, satisfaction d’un besoin de l’utilisateur. Il est destiné à la consommation ou à l’équipement de clients.
b. Composant et organisation
Un composant est un élément destiné à remplir une fonction particulière au sein
d’un sous-système.
Phase préparatoire
36 - 04 - 507 / -- c
36 - 04 - 507 / -- c
36 - 04 - 507 / -- c
Cycle de conception
: Passer du rêve du client au produit final
Figure 2 : Conception d’un produit (source Renault)
Dans l’industrie, à chaque phase de conception (Figure 2), des outils sont nécessaires pour
Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges (document contractuel)
Décrire le système en cours de réalisation ou ceux des concurrents
Vérifier et optimiser au fur et à mesure la solution produite par rapport au cahier des charges L’entreprise veille à maîtriser Qualité, Coûts, Délais afin de réaliser des profits suffisant pour son
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DES SYSTÈMES
Nous allons introduire dans ce paragraphe les principales caractéristiques d’un système industriel, en le considérant comme une boîte noire : dans un premier temps, on ne s’intéresse pas à son contenu
est l’association de composants constituant un tout organique complexe destiné à générale. (NF E 90.001) striel, ou produit industriel, est une construction humaine qui a pour but la
satisfaction d’un besoin de l’utilisateur. Il est destiné à la consommation ou à l’équipement de clients.
organisation
Un composant est un élément destiné à remplir une fonction particulière au sein
Figure 3 : Vélo de course et ses composants
SYSTEME SORTIES
Le véhicule est défini
La commercialisation est lancée
), des outils sont nécessaires pour :
Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges (document contractuel)
ar rapport au cahier des charges afin de réaliser des profits suffisant pour son
Nous allons introduire dans ce paragraphe les principales caractéristiques d’un système industriel, en le : dans un premier temps, on ne s’intéresse pas à son contenu
est l’association de composants constituant un tout organique complexe destiné à
une construction humaine qui a pour but la satisfaction d’un besoin de l’utilisateur. Il est destiné à la consommation ou à l’équipement de clients.
Un composant est un élément destiné à remplir une fonction particulière au sein d’un système ou
Production série Commercialisation
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Un système ne constitue pas un ensemble (au sens mathématique). Il ne suffit pas de connaître tous les éléments du système pour connaître le système (Figure 3). Il faut aussi appréhender les relations entre les composants afin de déterminer le fonctionnement global du tout.
c. Frontière
La frontière d’un système est une limite fictive qui permet d'isoler le système considéré et ses composants de son environnement (milieu extérieur). La mise en place de cette frontière est primordiale pour la modélisation du système. Dès lors, on peut définir précisément :
• la, ou les fonctions du système,
• les propriétés internes (constituants, réseaux d'énergie et d'information,…),
• les entrées/sorties.
a. Fonction Globale
La fonction globale de tout système conçu par l’homme est d’apporter une Valeur Ajoutée à une
Matière d’Oeuvre dans un environnement ou contexte donné. La fonction globale est la formulation du besoin à travers le système : elle est toujours
exprimée par un verbe à l’infinitif suivi d’un complément.
b. Matière d’œuvre
La matière d’œuvre est l’élément sur lequel le système agit, pour la faire passer d’un état initial à un état final. Il peut s’agir :
D’un produit, c'est à dire constitué de matière D’énergie sous forme électrique, thermique, hydraulique ... (que le système va
produire, stocker, transporter, convertir ...) D'information (que le système va produire, transmettre, communiquer, décoder ...) D’êtres humains (qu'il faut former, informer, soigner, transporter, servir ...)
c. Valeur ajoutée
C’est la différence entre la Matière d’œuvre sortante et la Matière d’œuvre entrante. Elle justifie par conséquent l’existence même du système. Ce peut être :
un changement d’état, un changement de caractéristiques( mécaniques, électriques, de température, couleur……), un changement de forme( par déformation, moulage, usinage…, un changement de position (espace).
Faire sur la matière d’œuvre
A-0
Sorties annexes
Elément qui réalise la fonction
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d. Données de contrôle
L’Energie est indispensable pour agir sur la Matière d’œuvre pour élaborer la Valeur Ajoutée. De plus le fonctionnement des systèmes nécessite le plus souvent des réglages ainsi qu’une configuration.
3. Classification des systèmes
a. Contexte ou domaine d’application
Le domaine d’application est le milieu physico-économique dans lequel évolue le système et pour lequel il a été conçu .
On parle alors de système industriel par opposition au système d'étude utilisé dans les laboratoires dans un but pédagogique. On distingue par exemple les domaines d’application suivants :
-L'aéronautique, l'agriculture , la production manufacturière et la robotique
industrielle, la domotique, l'automobile et les véhicules industriels , les biens d'équipement, les transports, la production d’énergie…
b. Critères Technico-économiques
Ces critères sont pris en compte lors de conception du système industriel : ainsi, nous pouvons citer :
La durée de vie, le coût, la fiabilité, la quantité
Par exemple, il existe différents types de Roller, avec des prix très différents ; certains sont montés sur roulements, d’autres non. En conséquence, le prix des seconds est plus faible mais leur durée de vie est bien plus courte, et leur fiabilité peu élevée….
4. Prestation du système étudié
Un système peut être caractérisé de façon globale par la fonction qu'il réalise. On peut compléter cette définition par des critères et des valeurs du système (Figure 4).
Figure 4 : Représentation globale du système Figure 5 : Performances d'une chaîne HiFi.
5. Points de vue de l’Analyse Système
Un système industriel peut être appréhendé selon différents aspects que l’on appelle points de vue. On en utilise essentiellement quatre : - le point de vue fonctionnel (fonction, sous fonction, sous-sous fonction,...) - le point de vue structurel (structure des moyens opératifs pour réaliser la fonction) - le point de vue temporel ou comportemental (ordre des tâches, flux de produits et d’informations) - le point de vue technique ( dessin industriel des composants ou d’ensembles de composants )
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III. ANALYSE DU BESOIN ET ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN (ou externe)
1. Introduction
a. Objet
L’analyse fonctionnelle est une méthode qui a pour objet la caractérisation du service rendu par l’utilisation du produit. Elle est finalisée par la réalisation du cahier des charges fonctionnel.
b. Cycle de vie d’un produit industriel
La figure ci-dessous récapitule les étapes principales dans le cycle de vie des produits. Le programme de CPGE s’intéresse aux phases de vie d’utilisation.
Analyser le besoin
non utilisation)
Exprimer et caractériser les fonctions de service
attendues
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2. Analyse du Besoin
a. Objet
Le client a un souhait, fait un rêve. Ce rêve, ou ce besoin, peut être exprimé par le client lui même, ou suscité par le marché. Un besoin est une nécessité ou un désir éprouvé par un utilisateur. L’objet de l’analyse du besoin est d’exprimer le besoin attendu par le client qui achète le produit.
L’analyse du besoin est en quelque sorte une lettre au Père Noël.
Il faut que le besoin exprimé soit le plus près possible du rêve du client pour que ce dernier soit satisfait.
b. Expression et caractérisation du besoin
L’expression et la caractérisation du besoin se fait en utilisant la méthode APTE (Application des Techniques d’Entreprise), sous la forme d’un diagramme, appelé Bête à Cornes.
A qui le produit rend-il service ? Sur quoi le produit agit-il ? Que fait le produit ? Autre forme :
Cette Bête à Cornes se traduit alors par l’expression de la phrase suivante :
LE PRODUIT rend service AU CLIENT en agissant sur LA MATIERE d’ŒUVRE pour SATISFAIRE LE BESOIN
c. Validation du besoin
Pour valider le besoin, il faut se poser les trois questions : Pourquoi le produit existe-t-il ? Qu’est-ce qui pourrait faire évoluer le besoin ? Qu’est-ce qui pourrait le faire évoluer ?
Ainsi, si une cabine téléphonique permettait à l’utilisateur d’avoir accès au réseau téléphonique, le besoin d’une cabine téléphonique a été très réduit par les téléphones portables.
3. Analyse fonctionnelle du besoin
a. Diagramme des intéracteurs (ou pieuvre)
Pour réaliser ce diagramme, il faut se placer dans une phase de vie du système. La phase de vie retenue dans le cadre des classes préparatoires est une phase de vie d’utilisation.
Dans la phase de vie choisie, il faut alors appréhender les Eléments du Milieu Extérieurs au système (EME). L’ensemble des EME constitue l’environnement dans lequel évolue le produit. Une pieuvre est spécifique à chaque étape du cycle de vie du produit. Ainsi, la pieuvre est différente entre la phase d’utilisation et de non-utilisation du produit.
à qui ?
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b. Fonctions de Service
Les relations entre les EME et le système sont les Fonctions de Service. On en distingue trois types : FS1 : permettre à l’EME1 de modifier l’état de l’EME2 FS5 : modifier l’état de l’EME5 FS4 : être modifié par l’EME4
De plus, on peut classer les Fonctions de Services :
Classement 1 :
Classement 2, le plus utilisé
Fonctions d’usage (FU), ce sont celles qui satisfont le besoin Fonctions d’estime (FE), ce sont des fonctions secondaires
Fonctions Principales (FP), ce sont celles qui satisfont le besoin Fonctions Contraintes (FC), ou d’Adaptation, elles répondent à la réalisation du besoin dans l’environnement choisi.
4. Caractérisation des fonctions de service
Cette caractérisation a pour objectif la rédaction du cahier des Charges Fonctionnel, c’est à dire la traduction du besoin du client (la lettre au Père Noël…).
N° de la FS Expression Critères Niveau Flexibilité
FP1 Permettre à l’EME1 de modifier l’état de l’EME2
Pour évaluer les critères, on leur associe :
un niveau exprimant l’objectif à atteindre, une flexibilité exprimée par une limite d’acceptation, c’est-à-dire un
encadrement du niveau par des valeurs mini et maxi.
SYSTEME
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IV. Analyse Fonctionnelle Technique d’une solution (ou interne)
1. Retour sur le bloc Concevoir
Pour rechercher des idées et des solutions, il faut souvent regarder des solutions déjà existantes. Les outils de description de produits industriels que vous devez connaître sont le FAST et le SADT. Ce sont des outils d’analyse descendante.
2. Description fonctionnelle (outil FAST de description)
a. Définition
Le FAST (Fonction Analysis System Technic) est un outil de description qui part des Fonctions de Service pour les décomposer en Fonctions Techniques, aboutissant aux Solutions Constructives.
La structure de chaque bloc vérifie la syntaxe suivante :
Les bifurcations peuvent être des bifurcations « ET », le plus utilisé ou « OU » dans les
FAST de description. Les syntaxes sont alors différentes :
3. Description structurelle (outil SADT (Structured Analysis for Design and Technic)
C’est une analyse descendante, par blocs, qui se caractérise par des niveaux hiérarchiques de décomposition. Le premier niveau est appelé A-0 (ou actigramme) : il traduit la Fonction Globale du système, de manière normalisée.
ET
OU
Etudier les solutions
Evaluer les solutions
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L’actigramme précédent, ou boîte mère A cette boîte mère afin d'affiner la perception du système et sa str
Cette décomposition doit faire apparaître de trois à six éléments maximum. Ces éléments ou boîtes sont des activités, ou des actigrammes et possèdent la même syntaxe que la boîte mère.
A la première décomposition, l’actigramme A Les flèches qui relient les sous
(n'impliquent pas de notions d'ordre d'exécution dans le temps Si le niveau de décomposition ne permet pas une totale compréhension du système, on procède
à une nouvelle construction d'actigrammes correspondant aux boîtes à analyser plus en détail. On définit ainsi successivement :
La boîte-mère A Le diagramme enfant de premier niveau A0. Les diagrammes enfants de chaque boîte du diagramme précédent (qui dev
diagramme
Chaque flèche entrant ou sortant de sa boîte diagramme enfant.
Les flèches sont affectées d'un label indiquant leur nature. Celui remplacé par un code dont la signification est donnée en marge.
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L’actigramme précédent, ou boîte mère A-0 peut être décomposé en plusieurs sous cette boîte mère afin d'affiner la perception du système et sa structure.
Cette décomposition doit faire apparaître de trois à six éléments maximum. Ces éléments ou boîtes sont des activités, ou des actigrammes et possèdent la même syntaxe que la boîte mère.
A la première décomposition, l’actigramme A-0 devient A0. flèches qui relient les sous-fonctions représentent les contraintes qui existent entre elles
ordre d'exécution dans le temps. Si le niveau de décomposition ne permet pas une totale compréhension du système, on procède ouvelle construction d'actigrammes correspondant aux boîtes à analyser plus en détail.
On définit ainsi successivement : mère A-0.
Le diagramme enfant de premier niveau A0. Les diagrammes enfants de chaque boîte du diagramme précédent (qui dev diagramme-mère) soit : A1, A2, A2
Les principales règles régissant la construction des diagrammes sont :
Chaque flèche entrant ou sortant de sa boîte-mère doit se retrouver sur le diagramme enfant. Les flèches sont affectées d'un label indiquant leur nature. Celui remplacé par un code dont la signification est donnée en marge.
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0 peut être décomposé en plusieurs sous-fonctions de
Cette décomposition doit faire apparaître de trois à six éléments maximum. Ces éléments ou boîtes sont des activités, ou des actigrammes et possèdent la même syntaxe que la boîte mère.
intes qui existent entre elles
Si le niveau de décomposition ne permet pas une totale compréhension du système, on procède ouvelle construction d'actigrammes correspondant aux boîtes à analyser plus en détail.
Les diagrammes enfants de chaque boîte du diagramme précédent (qui devient
Les principales règles régissant la construction des diagrammes sont :
mère doit se retrouver sur le
Les flèches sont affectées d'un label indiquant leur nature. Celui-ci peut être remplacé par un code dont la signification est donnée en marge.
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V. ARCHITECTURE D’UNE CHAÎNE FONCTIONNELLE
1. Décomposition partie commande partie opérative
Un système automatisé est un système industriel capable de générer certaines commandes sans intervention humaine.
L’homme ne fait donc plus partie intégrante du système, il y est remplacé par la partie commande. Citons par exemple le lève vitre électrique dans une automobile, avec une commande impulsionnelle : une simple pression sur le bouton permet d’ouvrir ou de baisser totalement la vitre sans autre contrôle de la part du conducteur.
On appelle partie opérative l’entité fonctionnelle qui agit sur la matière d’œuvre afin d’élaborer la valeur ajoutée désirée (la « main », les énergies manipulées sont élevées)
On appelle partie commande l’entité fonctionnelle qui élabore les ordres vers les préactionneurs (le’ cerveau’, les énergies manipulées sont faibles) à partir :
Des informations issues de la PO via les capteurs Des informations provenant de l’extérieurs (homme ou autres PC).
Cette partie commande supplante donc l’homme dans toutes ou parties de ses tâches
habituelles de coordination. Un système complètement automatisé est capable réaliser trois actions à la place d’un opérateur (ouvrier, artisan) : observation, réflexion, action
2. Architecture topo-fonctionnelle d’un système et Chaînes fonctionnelles
a. Schéma d’architecture topo-fonctionnelle
Un système industriel peut être décomposé en composants, ou sous-systèmes. On peut alors le représenter sous la forme d’un schéma d’architecture topo-fonctionnelle (ou de structure) car faisant apparaître clairement aussi bien l’arrangement topographique des constituants que l’organisation des relations entre les fonctions du système automatisés :
Chaque bloc représente un composant de la chaîne : on peut y faire figurer le nom du composant et sa fonction, en terme d’automatisme .
Chaque liaison entre deux blocs représente le lien entre les deux composants : on y fait figurer la nature de l’information échangée.
PARTIE OPERATIVE
PARTIE COMMANDE
P ré
ac ti
o n
n eu
Valeur Ajoutée
Dans cette structure, vous constatez que chaque bloc présente deux significations :
Une signification GENERALISTE en terme de fonction d’automatisme (Acquérir, traiter, Communiquer, Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre, Agir)
Une signification particulière en terme de constituant (Capteur, Préactionneur, Actionneur, Transmetteur ou adaptateurs et Effecteurs)
Informations issues
H/M
Grandeurs physiques à mesurer
H/M
b. Fonctions techniques - composants
La Chaîne d’Energie d’un système automatisé est la suivante :
Fonctions techniques Composants
ALIMENTER énergie électrique du réseau EDF, prise réseau, raccord réseau pneumatique, piles, accumulateurs
DISTRIBUER contacteur, relais d’alimentation d’un moteur, de variateur ou encore distributeurs pneumatique ou hydrauliques
CONVERTIR moteur électrique, moteurs thermique, vérins hydraulique, pneumatique,
TRANSMETTRE
• Transformer la nature du mouvement par exemple les mécanismes poulies-courroies, vis-écrou ou de transformation de mouvement plus généralement (bielle manivelle, etc,…)
• Adapter l’énergie sans en changer sa nature : il s’agit par exemples des engrenages, des embrayages, des mécanismes poulies courroies, des variateurs de vitesse, etc, …
AGIR
ACQUERIR capteurs analogiques, numérique mais aussi des interfaces homme/machine et de systèmes numériques d’acquisition de données.
TRAITER il peut s’agir d’ordinateurs, d’automates programmables, de microcontrôleurs, de circuits de logiques câblés, voire d’ateliers logiciels (éditeur de modèle de commande , …)
COMMUNIQUER liaisons informatiques simples entre les deux chaînes (liaison série de l’ordinateur, liaison parallèle, réseau Ethernet), mais aussi de bus plus complexes
VI. SYNTHESE "Le cours de SI des CPGE permet d'aborder avec méthode et rigueur l'analyse de réalisations
industrielles. Il développe des aptitudes à modéliser des systèmes manufacturés, à déterminer leurs
grandeurs caractéristiques, à communiquer et à interpréter les résultats obtenus en vue de faire
évoluer le système réel…. L'approche système permet d'appréhender la complexité des situations
industrielles et économiques. Les systèmes industriels sont le plus souvent constitués d'ensembles
mécaniques automatisés. C'est pourquoi l'enseignement des SI s'appuie sur la mécanique et
l'automatique.