Architectures fonctionnelle et structurelle

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1 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.

2 Ce qu il faut connaître Objectifs 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.

3 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. Données entrantes Chaîne d information Données sortantes Energies entrantes Matières entrantes Interface Chaîne d énergie Energies sortantes Matières sortantes 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 : Informations issues d autres systèmes et interfaces Homme / Machine ACQUERIR CODER Chaîne d information TRAITER MEMORISER RESTITUER Ordres Grandeurs physiques à acquérir COMMUNIQUER Informations destinées à d autres systèmes et interfaces Homme / Machine Matières d œuvre Energies entrantes CHARGER STOCKER ALIMENTER MODULER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE AGIR Pertes énergétiques Chaîne d énergie Matières d œuvre + Valeur ajoutée 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. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 37

4 Elle est souvent la partie du système qui utilise une très grande quantité de l énergie totale consommée. Energies entrantes CHARGER STOCKER ALIMENTER Energie électrique, pneumatique, hydraulique Ordres MODULER DISTRIBUER Energie distribuée CONVERTIR Energie mécanique, pneumatique, hydraulique TRANSMETTRE 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 visécrou, transformateurs plans, etc. 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. Grandeurs physiques, consignes ACQUERIR CODER Images informationnelles TRAITER MEMORISER RESTITUER Informations traitées COMMUNIQUER Ordres, messages Détecteurs TOR, capteurs analogiques, claviers, codeurs incrémentaux, etc. Automates programmables, cartes électroniques, ordinateurs, logiciels, etc. Commandes TOR, écrans, liaisons «série», WIFI, Bus CAN, etc. 38 CHAPITRE 2

5 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, maintenir, 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. Energie en attente Chaîne d action Module de sortie(s) Ordres Energie distribuée Energie mécanique Préactionneur Actionneur Transmetteur et effecteur Energie mécanique adaptée à la réalisation d une fonction élémentaire Traitement Unité de traitement Module de dialogue(s) Module d entrée(s) Capteur(s) Grandeur(s) physique(s) Grandeur(s) image(s) de la (ou des) grandeur(s) physique(s) à mesurer Chaîne d acquisition Consignes Informations d état du système Méthode 2.4. Identification des différents constituants associés à une chaîne fonctionnelle ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 39

6 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. 40 CHAPITRE 2

7 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 ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 41

8 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. 42 CHAPITRE 2

9 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 ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 43

10 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 énergie. Les énergies sortantes sont différentes (notamment des pertes). Exemple : système «régulateur de vitesse» d une automobile Exercice 2.1, Exercice 2.2, Exercice 2.3, Exercice 2.4 A : Touche «reprendre» B : Touche «suspendre» C : Touche «+» D : Touche Consigne de vitesse, mise en marche/arrêt, appui sur la pédale de frein, d accélérateur, vitesse réelle Energie électrique 12 V Automobile Chaîne d information Interface Chaîne d énergie Informations visuelles Pertes énergétiques Automobile avec vitesse régulée automatiquement 44 CHAPITRE 2

11 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. Exemple : scooter électrique Peugeot Moteur électrique Exercice 2.2, Exercice 2.4 Engrenage pignon / Roue Energie électrique EDF CHARGER STOCKER ALIMENTER Energie électrique Ordres MODULER DISTRIBUER Poulie motrice Courroie crantée Poulie réceptrice Frein à tambour Energie électrique distribuée CONVERTIR Energie mécanique de rotation Roue arrière TRANSMETTRE Energie mécanique de rotation adaptée Méthodes Chargeur Batterie Variateur de vitesse électronique (hacheur) Moteur électrique à courant continu Réducteur à engrenages, système poulies / courroie, frein à tambour. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 45

12 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. Exemple : scooter électrique Peugeot Exercice 2.3, Exercice 2.4 Courant moteur, tension batterie, Vitesse de rotation roue motrice Consignes conducteur Position béquille, Selle verrouillée, Données diagnostic ACQUERIR CODER Images informationnelles TRAITER MEMORISER RESTITUER Informations traitées COMMUNIQUER Signalisation routière visuelle et sonore, informations conducteur 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. 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 CHAPITRE 2

13 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. Z Y Robot latéral Pulvérisateurs de peinture Déplacement de la luge Détecteur gauche E G Robot de toit X Cabine Z ENTREE DE ZONE Moto-réducteur altitude (Z) 1,5 kw Courroie de transmission Amortisseur hydraulique X Luge Détecteur droit E D Robot latéral STATION DE PEINTURE Bol de pulvérisation Moto-réducteur horizontal (X) 0,25 kw Z X Pulvérisateur α Méthodes Moto-réducteur angulaire (α) 0,25 kw ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 47

14 L étude la chaîne fonctionnelle «Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral» peut conduire à la décomposition structurelle donnée ci-dessous : Energie électrique en attente Chaîne d action Ordres Variateur électronique Energie électrique distribuée Moteur électrique asynchrone Energie mécanique de rotation Réducteur et système système poulies poulies / courroie / courroie Energie mécanique de translation Traitement Carte d axe et modules E/S Informations électriques images Codeur incrémental Détecteurs TOR Angle rotation arbre moteur Position bol de pulvérisation Chaîne d acquisition Consignes Informations d état du système (Vers système de niveau hiérarchique supérieur) 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 CHAPITRE 2

15 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 : Méthodes ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 49

16 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 : 50 CHAPITRE 2

17 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 acquisition. 12. Un potentiomètre rotatif est un actionneur. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 51

18 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. 52 CHAPITRE 2

19 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. Frein à manque de courant Pignon intermédiaire arbré Arbre de sortie lié à la roue arrière Moteur + réducteur roue gauche Figure 1 Console de configuration et Batterie de visualisation Coffret : - variateur Moteur Moteur + + réducteur Coffret : - carte de commande réducteur roue roue droite - variateur - carte de commande droite Moteur électrique Boîtier de commande Roue arbre intermédiaire Roue de sortie Pignon moteur 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. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 53

20 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 architecture de la chaîne d information. D'après concours Centrale-Supélec 54 CHAPITRE 2

21 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 Réducteur roue / vis sans fin Embrayage électromagnétique Barre de torsion Capteur de couple 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. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 55

22 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). Carré de manœuvre 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 56 CHAPITRE 2

23 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. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 57

24 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. 58 CHAPITRE 2

25 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. 1 : Actionneur FAAC : Lampe clignotante 3 : Bouton poussoir à clé 4 : Armoire de commande 5 : Antenne H.F. 6 : Cellules photoélectriques 7 : Serrure électrique 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. Platine FAAC 455 D ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 59

26 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 Compléter le diagramme de bloc interne d un actionneur FAAC 402 : 60 CHAPITRE 2

27 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. ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 61

28 Corrigé des vrai/faux 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. 62 CHAPITRE 2

29 Corrigé des exercices Exercice 2.1 Pièces ou jetons Consignes utilisateur (court, long) Energie électrique réseau EDF Eau Grains de café Chaîne d information Interface Chaîne d énergie Informations visuelles Pertes énergétiques Boisson chaude Méthode 2.1 Exercice 2.2 Energie électrique EDF STOCKER ALIMENTER Energie électrique Ordres émanant de la carte de commande MODULER DISTRIBUER Energie électrique distribuée CONVERTIR Energie mécanique de rotation TRANSMETTRE 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 mécanique de rotation Déplacer le fauteuil Fauteuil en position initiale Fauteuil en position finale Pertes énergétiques Corrigé Méthode 2.1, Méthode 2.2 Exercice 2.3 Pression de contact Position de la porte Demande normale d ouverture / fermeture (passager ou conducteur) Demande d ouverture en urgence ACQUERIR CODER Capteur de pression Détecteur TOR Bouton poussoir Pupitre conducteur Bouton d urgence Images informationnelles TRAITER MEMORISER RESTITUER Unité centrale Informations traitées COMMUNIQUER Unité centrale Pupitre conducteur Informations conducteur Ordres de commande moteur Méthode 2.1, Méthode 2.3 ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 63

30 Exercice 2.4 Capteur de vitesse véhicule Capteur de couple au volant Calculateur DAE Calculateur DAE Calculateur DAE Intensité moteur Chaîne d information Consigne volant Image vitesse véhicule ACQUERIR CODER TRAITER MEMORISER RESTITUER COMMUNIQUER Roues en position initiale Commande moteur Commande embrayage Energie électrique STOCKER ALIMENTER MODULER DISTRIBUER Energie électrique CONVERTIR TRANSMETTRE Manœuvrer les roues Pertes énergétiques Energie électrique Chaîne d énergie Energie mécanique Batterie Calculateur D.A.E. Moteur Réducteur, Embrayage, Cardans, Pignon /crémaillère, biellettes de direction, fusées de roues. Roues manœuvrées avec assistance Méthode 2.1, Méthode 2.2, Méthode 2.3 Exercice On peut proposer le diagramme de définition de blocs suivant : Il est aussi possible de faire comme sur la page suivante. 64 CHAPITRE 2

31 2. Méthode 2.5 MONTER / DESCENDRE TOURNER le carré de manœuvre ESCAMOTER la butée Actionneur Vérin A Vérin B Vérin C Transmetteur Aucun Système pignon / crémaillère Aucun 3. Capteurs S 1, S 2 S 3, S 4, S 5 S 6 Méthode 2.4 Corrigé Méthode 2.6 ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 65

32 4. Le paramètre «R» modélise le rayon primitif du pignon. Le diagramme paramétrique du système «pignon crémaillère» est le suivant : Méthode 2.7 Exercice Diagramme de définition de blocs de l actionneur FAAC 402 : Méthode CHAPITRE 2

33 2. Diagramme de bloc interne de l actionneur FAAC 402 : 3. Diagramme paramétrique du vérin hydraulique : Méthode 2.6 Corrigé Méthode 2.7 ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE 67

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