PTSI PT AUTOMATIQUE. Constituants des systèmes

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1 PTSI PT AUTOMATIQUE des sysèmes

2 Table des maières 1 LA CHAINE FONCTIONNELLE STRUCTURE FONCTIONNELLE CHAINE D ENERGIE CHAINE D INFORMATION LES ACTIONNEURS LES VERINS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES LES MOTEURS LES PRE-ACTIONNEURS CONTACTEURS ET RELAIS VARIATEURS ELECTRONIQUES DISTRIBUTEURS HYDRAULIQUES ET PNEUMATIQUES LES COMMANDES PROGRAMMABLES 7 5 LES CAPTEURS DEFINITIONS ERREURS CLASSIQUES LES PRINCIPAUX CAPTEURS PTSI - PT i Avignon

3 1 La chaine foncionnelle 1.1 Srucure foncionnelle On peu disinguer au sein des sysèmes pluriechniques deux chaînes, l une agissan sur les flux de données, appelée chaîne d informaion ou parie commande, l aure agissan sur les flux de maières e d énergies, appelée chaîne d énergie ou parie opéraive. Grandeurs physiques à acquérir Informaions issues d aures sysèmes e inerfaces H/M ACQUERIR Chaîne d informaion TRAITER COMMUNIQUER Informaions desinées à d aures sysèmes e inerfaces H/M Maière d oeuvre ordres Energies d enrée ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE ACTION Peres énergéiques Chaîne d énergie Maière d œuvre + Valeur ajouée 1.2 Chaine d énergie La chaîne d énergie, es consiuée des foncions génériques : Alimener, Disribuer, Converir, Transmere qui conribuen à la réalisaion d une acion. Energies d enrée Energie élecrique, pneumaique, hydraulique Energie disribuée Ordres Energie mécanique, pneumaique, hydraulique Alimener Disribuer Converir Transmere Energies disponibles pour l acion demandée par le cahier des charges Prise réseau, raccord réseau, pile, baerie, accumulaeur, Préacionneur : Conaceur, relais, variaeur, disribueur, Acionneur : Machines asynchrones, à couran coninu, vérins, Assemblage démonable, guidage en roaion, en ranslaion, accouplemen, embrayage, limieur de couple, frein, poulies courroies, engrenages, sysèmes vis-écrou, ransformaeurs plans, L'énergie issue de la chaîne d informaion n'es pas suffisane pour êre uilisable direcemen par les acionneurs, le rôle du préacionneur es alors de disribuer ou PTSI - Avignon page 1

4 non une énergie imporane en foncion des ordres émis par la parie commande ransmis sous la forme d'une énergie de commande plus faible. 1.3 Chaine d informaion La chaîne d informaion perme : d acquérir des informaions : o sur l éa d un produi ou de l un de ses élémens (en pariculier de la chaîne d énergie) par le biais de capeurs, o issues d inerfaces homme/machine (consignes) ou élaborées par d aures chaînes d informaion, o sur un processus géré par d aures sysèmes (consulaion de bases de données, parage de ressources,...), de raier ces informaions pour obenir le comporemen souhaié du sysème ; de communiquer les informaions générées par le sysème de raiemen pour réaliser l assignaion des ordres desinés à la chaîne d énergie ou (e) pour élaborer des messages desinés aux inerfaces homme/machine (ou à d aures chaînes d informaion). Grandeurs physiques, consignes Images informaionnelles uilisables Informaions raiées Ordres, messages Acquérir Traier Communiquer Capeurs TOR, Capeurs analogiques, Capeurs numériques, Inerfaces homme / machine, Sysèmes numériques d acquisiion de données. Maériels : - Auomaes programmables ; - Ordinaeurs ; - Microconrôleurs ; - Modules logiques programmables ; - circuis de commande câblés, Logiciels : - Aeliers logiciels, - Édieur de modèles de commande avec généraeur de code, - Commandes TOR, - Inerfaces homme/machine, - Liaisons uilisan le mode de ransmission série, - Liaisons uilisan le mode de ransmission parallèle, - Réseau Eherne - Bus capeurs/acionneurs, PTSI - Avignon page 2

5 2 Les acionneurs 2.1 Les vérins pneumaiques e hydrauliques Le vérin linéaire Uilisé pour obenir un mouvemen de ranslaion d ampliude limiée. La naure de son énergie (pneumaique, hydraulique) dépend de la force souhaiée en sorie. On disingue le vérin simple effe (la renrée de ige se fai sans alimenaion exérieure par un ressor) du vérin double effe (la sorie e la renrée de ige son commandées). Simple effe Double effe Vérins sand Vérin élescopique Le vérin roaif Assez rare, le vérin roaif perme d obenir une roaion d ampliude limiée. C es en praique un vérin linéaire associé à un mécanisme pignon-crémaillère pour la ransformaion de mouvemen. PTSI - Avignon page 3

6 2.2 Les moeurs Les moeurs élecriques Le moeur à couran coninu exrêmemen uilisé dans les sysèmes auomaisés car sa commande es relaivemen simple : Le moeur asynchrone alimené en couran alernaif riphasé perme des puissances imporanes (applicaions : TGV, Machines ouils, ascenseurs) mais la commande es plus compliquée : Le moeur pas à pas, de puissance faible, perme de réaliser des roaions d ampliude fixe (ex : ¼ de our, 1/64 de our ) de façon séquenielle. PTSI - Avignon page 4

7 Les moeurs ou pompes hydrauliques ou pneumaiques Tous ces sysèmes son réversibles (pas d applicaion connue du moeur à engrenage). On peu donc fournir une énergie hydraulique pour la ransformer en énergie mécanique (c es alors un moeur), ou inversemen fournir une énergie mécanique pour la ransformer en énergie hydraulique (compresseur ou pompe). Pompe/moeur à palees : Pompe à engrenage : Ex : Ouils pneumaiques, compresseurs de klaxon Ex : Pompe à huile auo/moo Pompe/moeur à pisons radiaux : Pompe/moeur à pisons axiaux : Ex : Moeur roue hydraulique d engins de chanier Ex : Compresseur de climaisaion auo Les moeurs hermiques PTSI - Avignon page 5

8 3 Les pré-acionneurs Tous les acionneurs vus précédemmen (vérins, moeurs, pompes) son associés à un pré-acionneur pour leur commande. Il exise donc des pré-acionneurs élecriques, pneumaiques e hydrauliques Conaceurs e relais A parir d un signal de faible puissance alimenan la bobine, le conac es éabli sur le circui de haue puissance. Les deux circuis élecriques son indépendans. C es une gesion Tou Ou Rien (TOR) de la puissance, il n y a pas de modulaion possible. 3.2 Variaeurs élecroniques Le variaeur perme en plus conaceur une modulaion de la puissance fournie au moeur élecrique. La commande la plus classique pour un moeur à couran coninue es la commande PWM (Pulse Widh Modulaion) ou MLI (Modulaion de Largeur d Impulsion) : Tension U max U moy = τ.u max 1 On défini le rappor cyclique τ= 1 /T variable enre 0 e 1. La ension moyenne peu donc varier enre 0 e U max e moduler la viesse de roaion du moeur. 0 Temps T Rmq : la période du signal doi êre largemen inférieure au emps de réponse du moeur. O On peu égalemen uiliser le même principe pour commander un moeur asynchrone (couran alernaif) en généran le signal adapé. Modulaion pour moeur asynchrone PTSI - Avignon page 6

9 3.3 Disribueurs hydrauliques e pneumaiques Disribueur piloé Disribueur mécanique Disribueur manuel 4 Les commandes programmables Assuran les foncions de raier l informaion e d émere des ordres, on rouve principalemen des Auomaes Programmables Indusriels (API) (ex : capsuleuse INDEXA) e des PC équipés de care d inerface E/S (ex : vérin plaeforme 6 axes). PTSI - Avignon page 7

10 5 Les capeurs Un capeur es un organe de prélèvemen d'informaion qui élabore à parir d'une grandeur physique, une aure grandeur physique de naure différene (rès souven élecrique) appelée image de la grandeur mesurée. Fig. 1 : Principe du capeur Les signaux de sorie courans son logiques (uniquemen deux valeurs possibles), analogiques (signal coninu) ou numériques (ensemble fini de valeurs échanillonnées). x l() x a() x n() a) logique b) analogique c) numérique Définiions Eendue (plage) de mesure : Valeurs exrêmes pouvan êre mesurée par le capeur. Sensibilié ou gain : Variaion du signal de sorie par rappor à la variaion du signal d'enrée. Exemple : L accéléromère du TP suspension a une sensibilié de 3.85 V.s 2.m -1. Résoluion : Plus peie variaion de grandeur mesurable par le capeur. Précision : Apiude du capeur à donner une mesure proche de la valeur vraie. Erreur absolue (e) : Résula d'une mesure moins la valeur vraie. Une erreur absolue s'exprime dans l'unié de la mesure. e = x - X Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de disance. Erreur relaive (e r ) : Rappor de l'erreur de mesure à la valeur vraie. Une erreur relaive s'exprime généralemen en pourcenage de la grandeur mesurée. e r = e/x*100; Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de disance (10 % de la disance réelle). PTSI - Avignon page 8

11 5.3 Erreurs classiques mesure Réponse capeur Courbe vraie Erreur de zéro (Offse) mesure Réponse capeur Courbe vraie Erreur de gain mesure Courbe vraie Erreur de linéarié Réponse capeur mesure Courbe vraie Phénomène d hysérésis Réponse capeur mesure Courbe vraie Erreur de numérisaion (résoluion insuffisane) Réponse capeur mesure Courbe vraie Perurbaion (brui) PTSI - Avignon page 9

12 5.4 Les principaux capeurs Les capeurs d effors Capeurs piézo-élecriques L'applicaion d'une conraine mécanique à cerains maériaux dis piézo-élecriques (le quarz par exemple) enraîne l'appariion d'une différence de charge enre les faces de ce maériau. La sorie es une ension. Jauges d exensomérie Applicaion au capeur d effor Une jauge d exensomérie es composée de rois rosees consiuées d un enlacemen d un fil élecrique fin. Cee jauge es collée sur une pièce e sui donc ses déformaions. L éiremen e le rérécissemen du fil provoqué par les déformaions enrainen une modificaion de son diamère, e donc de sa résisivié (grandeur image mesurée). La variaion de résisance es ransformée en variaion de ension par un pon de Wheasone. C es un capeur de déformaion rès uilisé pour consiuer un capeur d effor Les capeurs d accéléraion Un capeur d accéléraion es basé sur la mesure de la force appliquée par une masse connue sur une accéléraion (F = m.a). Ils peuven mesurer l accéléraion sur 1, 2 ou 3 axes. La sorie es une ension. Capeurs piézo m PTSI - Avignon page 10

13 5.4.3 Les capeurs de viesse La mesure direce de la viesse s effecue par le biais d une générarice achymérique, qui délivre à ses bornes une ension proporionnelle à la viesse de roaion de son roor. La sorie es une ension. On peu égalemen obenir la viesse par dérivaion de la posiion ou par inégraion de l accéléraion Les capeurs de posiion Poeniomères linéaires ou roaifs : un curseur se déplace sur une pise résisive. En foncion de la posiion du curseur sur la pise, la résisance aux bornes du poeniomère varie. Le poeniomère forme un pon diviseur de ension. La sorie es une ension. La course de ce ype de capeurs es limiée (1 our ou 10 ours) Le codeur incrémenal : un faisceau lumineux raverse un disque alernaivemen ransparen e opaque. Un déeceur phoo-élecrique à l opposé du disque récole le signal de sorie. Une deuxième pise décalée de la première perme de connaîre le sens de roaion. Ce capeur ne perme que des mesures de déplacemen relaif e ne renseigne pas sur la posiion absolue. PTSI - Avignon page 11

14 Le codeur absolu : En muliplian le nombre de pises, on obien un codage permean d idenifier le seceur angulaire dans lequel on se rouve. Exemple d un codeur 12 pises, soi 2 12 =4096 seceurs angulaires Les déeceurs ou capeurs fin de course Avec conac Sans conac (ou de déeceur de proximié) Déeceurs phooélecriques : - Normalemen Ouver (NO) : circui ouver sans conac - Normalemen Fermé (NF) : circui fermé sans conac PTSI - Avignon page 12

15 Capeurs capaciifs e inducifs : Le capeur inducif déece la variaion du champ magnéique par un obje méallique ou un aiman à proximié. Le capeur capaciif déece la variaion du champ élecrosaique provoqué par un obje opaque à ce champ à proximié. Déeceurs magnéiques ou Inerrupeur à Lame Souple ( I.L.S.) : Le passage d un aiman à proximié d un ILS provoque une déformaion de la lame qui éabli un conac élecrique. Exemple d applicaion aux capeurs fin de course d un vérin PTSI - Avignon page 13

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