Distributeur automatique de café

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1 BACCALAUREAT GENERAL Session 2002 Série S Sciences de l Ingénieur ETUDE D UN SYSTEME PLURITECHNIQUE Coefficien : 6 Durée de l épreuve : 4 heures Son auorisés les calcularices élecroniques e le maériel habiuel du dessinaeur. Aucun documen ni manuel n es auorisé. Le candida doi disposer des feuilles 1/11 à 11/11. Les feuilles R1, R2 e R3 son à rendre obligaoiremen avec la copie. La répariion des poins se fera de la façon suivane : Analyse du sysème : 6 poins Calculs de vérificaion : 7 poins Producion de soluion : 7 poins Disribueur auomaique de café Sommaire PRESENTATION DU SYSTEME 1/11 à 4/11... durée conseillée : 10 min ANALYSE DU SYSTEME 5/11 e 6/11... durée conseillée : 1 h 10 min CALCULS DE VERIFICATION 7/11 e 8/11... durée conseillée : 1 h 20 min PRODUCTION D UNE SOLUTION 9/11 à 11/11... durée conseillée : 1 h 20 min DOCUMENTS REPONSES R1 R2 R3

2 PRESENTATION DU SYSTEME PRESENTATION DU SYSTEME Disribueur auomaique de café Type «DISPENSER D10»

3 PRESENTATION DU SYSTEME 1. Mise en siuaion Le disribueur auomaique de café «DISPENSER» es uilisé dans les caféérias, brasseries e cenres de resauraion rapide. Il perme de disribuer la boisson à parir de grains de café e d eau dans un délai rès cour (environ 20 à 25 secondes). 2. Suppor de l éude Suivan le modèle de «DISPENSER», le clien a le choix enre plusieurs opions : café «cour», café «long», dose supplémenaire d eau chaude, programmaion de plusieurs asses. Le modèle suppor de l éude es le D10 offran uniquemen les opions café «cour» e café «long». 3. Principe de foncionnemen du «Dispenser D10» Le «Dispenser D10» perme d obenir un café «cour» ou «long» à parir de grains de café e d eau. Pour cela, 3 âches élémenaires indépendanes son nécessaires : (voir analyse foncionnelle page 3/11) Elaboraion de la mouure (y compris le dosage). Préparaion de l eau (chauffage e dosage). Elaboraion de la boisson (café chaud) Condiions iniiales Le disribueur auomaique es opéraionnel (voyan de foncionnemen allumé) si e seulemen si : - le doseur d eau es rempli - le doseur de café conien une dose de café moulu 1/11

4 PRESENTATION DU SYSTEME 3.2. Mise en roue du cycle de disribuion ( voir phoo ci-dessous e page 4/11 ). Il se déroule de la manière suivane : La dose de café moulu emmagasinée dans le doseur de café passe par gravié dans un roor ( élémen mobile en roaion du groupe café voir figure 1 page 4/11 ). Ce roor amène la nouvelle dose de café au pose d infusion où un pison asse le café. Dans le même emps, le marc de café ayan servi à la sélecion précédene es éjecé (à l aide d un aure pison). Une pompe envoie sous pression dans la chaudière la quanié d eau froide éablie par le doseur d eau (l eau es élevée à la empéraure de 88 C). L ouverure d une élecrovanne perme, par l envoi d une dose d eau chaude sous pression à ravers la dose de café moulu e assé, d obenir la formaion e la disribuion de la boisson (café chaud). L élaboraion de la mouure e la préparaion de l eau s effecuen simulanémen en fin de cycle, prédisposan ainsi le disribueur auomaique, à une nouvelle sélecion. Réserve de grains de café Doseur de café moulu Remarque : Le doseur d eau, la pompe e visibles sur la phoo ci-dessus. l élecrovanne ne son pas 2/11 Broyeur Moo-réduceur Tuyau d arrivée d eau chaude sous pression Pison d éjecion du marc de café Groupe café (roor non visible) Chaudière Gouière d arrivée de la boisson (café chaud)

5 PRESENTATION DU SYSTEME Energie Café «cour» ou «long» Réglages Grains de café Eau Pièce(s) ou jeon FAIRE DU CAFE A-0 Boisson (Café chaud) Marc Eaux usées Informaions d éa Pièces ou jeons sockés DISPENSER Energie Café «cour» ou «long» (Réglages) Prix Pièce(s) ou jeon VALIDER LA SOMME A5 Pièces ou jeons sockés Monnayeur GERER Parie commande + pupire de sélecion A1 Ordres Dosage ELABORER LA MOUTURE A2 Finesse de la mouure? Informaions d éa GRAINS DE CAFE Broyeur + doseur EAU Tempéraure d eau Ordres Dose d eau PREPARER L EAU 3/11 A3 Réseau hydraulique (doseur + chaudière + pompe) Informaion de posiion du plaeau ournan Tempéraure d eau Ordre d évacuaion du marc Eau chaude dosée ELABORER LA BOISSON A4 Groupe café Tassemen de la mouure A 0 Eaux usées BOISSON (Café chaud) Marc

6 PRESENTATION DU SYSTEME FONCTIONNEMENT DU GROUPE CAFE Le Groupe Café es acionné par un moo-réduceur à 2 sories, l une pour acionner le mécanisme de assemen de la dose de café moulu e d éjecion du marc que nous n éudierons pas (non représenée) e l aure pour acionner le disposiif permean de faire passer la dose de café moulu par quare poses (voir fig. 3): 1 er pose : sous le doseur de café moulu 2 ème pose : infusion (envoi d eau chaude sous pression) 3 ème pose : éjecion du marc de café 4 ème pose : aene (chambre vide) Le mécanisme permean une roaion par quar de our es un mécanisme de ransformaion de mouvemen par «croix de Male». Explicaions du foncionnemen de la ransformaion de mouvemen par «croix de Male» : Sur le plaeau de sorie du moo-réduceur, il y a un gale excenré ( libre en roaion sur lui même) qui renre (voir fig. 1) dans une des quare rainures (repérée a) du roor du groupe café. Ce gale fai ourner le roor du groupe café (donc la dose de café moulu) d un angle β=90, puis ressor de la rainure (a) (voir fig. 3). Donc une dose de café moulu, repérée 1, siuée au pose «sous le doseur de café» à la fig.1 se rerouve après une roaion du roor du groupe café d un angle β=90 au «pose d infusion» à la fig.3. Le gale coninue ensuie sa roaion auour de l axe z du moo-réduceur (pendan ce emps le roor du groupe café es immobile), renre dans la rainure suivane e effecue la même opéraion (la dose 1 passera donc au «pose d éjecion du marc»). Il fau donc quare ours du plaeau de sorie du réduceur pour effecuer un our du roor du groupe café. Dans un cycle de disribuion d un café, chacun des quare poses éan occupé, il suffi d un quar de our du roor du groupe café pour obenir sous le pose d infusion une nouvelle dose de café moulu e dosé. Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 αθ z Plaeau plaeau de sorie z z Pose sous le doseur de café β β a Pose d aene a moo-réduceur a 1 gale excenré Roor du Groupe Café 1 Pose d éjecion du marc 1 Pose d infusion Remarque : le emps nécessaire pour faire ourner le roor du groupe café de 90 sera noé 1. 4/11

7 ANALYSE DU SYSTEME Problémaique : Les argumens de vene avancés par le fabrican son principalemen le faible encombremen de l appareil e la rapidié de préparaion des boissons. Dans cee opique, le quesionnemen qui sui porera : Dans la parie «analyse du sysème», sur le principe d obenion des différenes boissons café «cour» ou café «long». Dans la parie «calculs de vérificaion», sur la capacié de la parie opéraive à suivre les emps de préparaion d une boisson annoncés par le fabrican. Dans la parie «producion d une soluion», sur les opéraions effecuées en emps masqué (gain de emps) comme l évacuaion du marc de café. ANALYSE FONCTIONNELLE GLOBALE Quesion 1 (répondre sur copie) A l aide du niveau A-0 (page 3/11), donner la foncion globale du sysème, les maières d œuvre d enrée principales e la maière d œuvre de sorie principale. Quesion 2 (répondre sur copie) Quelle es la maière d œuvre de sorie de l acigramme A2 «ELABORER LA MOUTURE» du niveau A0? Quesion 3 (répondre sur copie) En observan le niveau A0 de l analyse descendane, nommer les différens réglages pouvan êre effecués sur le DISPENSER. Quesion 4 (répondre sur copie) En relisan aenivemen le principe de foncionnemen du DISPENSER (pages 1/11 e 2 /11) e en respecan les règles d évoluion e de représenaion du GRAFCET, représener le GRAFCET de coordinaion des âches en replaçan les quare âches e les récepiviés associées. On uilisera la srucure donnée ci-dessous. Lise des âches : PREPARER L EAU ATTENDRE ELABORER LA BOISSON ELABORER LA MOUTURE 1 2?.?.?.?. Noa : le dépar cycle s effecuera avec la présence des récepiviés : pièce(s) de monnaie ou jeon e café «long» ou «cour» e eau à empéraure. 3?. 4?. 5 6 = 1?.?. ANALYSE DE LA PARTIE OPERATIVE Le croquis ci-après représene le doseur d eau. Pour faire varier les doses d eau e obenir soi un café «cour» soi un café «long», on doi agir sur la posiion des sondes en sachan que le volume d eau sélecionné es celui compris enre l exrémié de la sonde neure (niveau maximum) e l exrémié de la sonde correspondan à la sélecion (rouge pour café cour e jaune pour café long). 5/11

8 ANALYSE DU SYSTEME Rouge Jaune Neure Sonde de masse Volume d eau pour café «cour» Niveau maximum d eau CAFE COURT = Rouge CAFE LONG = Jaune Niveau maximum = Neure Croquis du doseur d eau Selon les données du consruceur, en faisan varier la posiion d une des deux sondes (rouge ou jaune) de 1 mm, on fai varier la quanié d eau d environ 3 cm 3. Réglages sandards : - café «cour» : 70 cm 3 environ. - café «long» : 140 cm 3 environ. Quesion 5 (répondre sur copie) Déduire des données consruceur le diamère inérieur du doseur d eau en précisan les uniés uilisées. Quesion 6 (répondre sur copie) Sachan que le croquis du doseur d eau ci-dessus es à l échelle 1:2, mesurer les grandeurs nécessaires e en déduire le volume maximum d eau conenu dans le doseur lorsqu il es rempli. Quesion 7 (répondre sur copie) Pour donner suie à une demande de la clienèle qui préfèrerai un café plus for, indiquer la valeur e le sens du réglage à effecuer sur la sonde rouge (café «cour») pour obenir une dose d eau de 40 cm 3 à la place de celle de 70 cm 3 acuelle. ANALYSE DE LA PARTIE COMMANDE Quesion 8 (répondre sur le documen réponse R1) Compléer les deux récepiviés (après les éapes 11 e 13), les deux condiions (éape3) e les deux acions (éapes 4 e 12) manquanes sur les deux GRAFCET poin de vue Parie Opéraive. 6/11

9 CALCULS DE VERIFICATION VERIFICATION DU TEMPS DE DISTRIBUTION D UN CAFE Le emps de disribuion d un café donné par le consruceur es compris enre 15 e 25 secondes suivan le choix de l opion café «cour» ou café «long». Nous allons vérifier cee donnée en éudian la chaîne cinémaique du Groupe Café chargé d élaborer la boisson (emps d élaboraion noé 1 ) e en éudian les caracérisiques de la pompe (emps d infusion noé 2 ). Le emps oal de disribuion de la boisson sera donc = Noa : il es imporan d avoir consulé préalablemen le documen ( page 4/11 ) iniulé «FONCTIONNEMENT DU GROUPE CAFE» Eude du moo-réduceur Le schéma du moo-réduceur ainsi que les caracérisiques des engrenages son donnés ci-dessous Pignon P2 z x Roue R1 Roue R3 Moeur Vis sans fin Plaeau de sorie Gale excenré Données : Vis sans fin 1 file : Z v = 1 Roue R1 : Z 1 = 30 dens Roue R3 : Z 3 = 40 dens Pignon P2 : Z 2 = 10 dens Viesse du moeur : N m = 1440 r/min Quesion 9 (répondre sur copie) Calculer le rappor de réducion global r du moo-réduceur ainsi que la viesse de roaion du plaeau de sorie N p en r/min. Eude du mécanisme de ransformaion de mouvemen par «croix de Male» Hypohèse : On néglige la roaion sur lui même du gale excenré. Le mécanisme de ransformaion de mouvemen es schémaisé sur le documen réponse R2 dans 5 posiions différenes, les racés demandés seron à effecuer sur chacune de ces 5 posiions. Quel que soi le résula rouvé à la quesion précédene, on prendra : N gale/bâi = N p = 12 r/min. Repérage des pièces : Bâi (= pièce 0) ; Plaeau de sorie du réduceur + gale excenré (= ensemble 1); Roor du groupe café (= pièce 2). 7/11

10 CALCULS DE VERIFICATION Quesion 10 (répondre sur copie e sur le documen réponse R2) Quelle es la naure du mouvemen de 1/0? ( préciser l axe du repère ) Sachan que N p = N 1/0 = 12 r/min, calculer V A1/0 ( racer cee viesse sur chacune des 5 posiions du schéma ). Quesion 11 (répondre sur copie e sur le documen réponse R2) Quelle es la naure du mouvemen de 2/0? ( préciser l axe du repère ) Tracer le suppor du veceur viesse V A2/0 sur chacune des 5 posiions du schéma. Quesion 12 (répondre sur copie e sur le documen réponse R2) (Rappel : on néglige la roaion sur lui même du gale excenré.) Donner la relaion vecorielle de composiion des viesses au poin A. Tracer le suppor du veceur viesse V A1/2 sur chacune des 5 posiions du schéma. Quesion 13 (répondre sur copie e sur le documen réponse R2) Déerminer graphiquemen pour chacune des 5 posiions la norme de chacun des veceurs viesse V A1/2 e V A2/0. Noer les valeurs sur vore copie. Quesion 14 (répondre sur copie) Tracer le graphe de la viesse V A2/0 en foncion de θ pour un our de l ensemble 1 ( -π θ π ). Prendre θ en abscisse (rad) e la viesse en ordonnée (mm/s). Echelles : 10mm pour π/8 e 1mm pour 1mm/s Quesion 15 (répondre sur copie) Quel es le emps 1 mis pour amener une dose de café moulu, dosé e assé sous le pose d infusion? (emps mis pour effecuer un quar de our de la pièce 2 ). Quesion 16 (répondre sur copie) Les caracérisiques de la pompe d infusion uilisée dans le Dispenser (référence 1106) son données ci-dessous : Pour une pression moyenne de 7 bar (0.7 MPa), indiquer quel es son débi. Calculer le emps d infusion 2 pour un café «long» de 140 cm 3. Calculer le emps oal d obenion d un café «long». Comparer la valeur obenue à celle donnée par le consruceur. 8/11

11 PRODUCTION D UNE SOLUTION ETUDE DE LA TEMPORISATION LIEE A L EXPULSION DU MARC L éude porera sur le minueur géran l expulsion du marc de café. Cee expulsion du marc usagé s effecue au momen d une sélecion de café mais égalemen si le emps enre deux sélecions dépasse 45 minues, ceci afin d évier qu un marc ne sèche à l inérieur du groupe café. Pour cela, le conac d un relais, commandé par le minueur, s enclenche, mean uniquemen le groupe café en foncion de façon à faire ourner le roor du groupe café de 90 e à mouvoir l ensemble pison permean ainsi l expulsion de la pasille de marc usagé. Cee opéraion ne se répèe plus jusqu à ce qu une nouvelle sélecion soi effecuée. On peu résumer le foncionnemen du minueur par les chronogrammes suivans : (Faire la correspondance avec les différens signaux sur le documen réponse R3) Temps > 45 min. Temps < 45 min. Sélcaf Sélecion café R Rese du 4536 DO 45 min. 2sec. Compage des impulsions d horloge Commande du moeur du groupe café A OINH Pas de compage? Sélcaf es le signal représenaif de l informaion «Sélecion café». Si le marc a éé évacué, il n es pas uile de l évacuer à nouveau au bou de 45 minues si une nouvelle boisson n a pas éé demandée. Ceci jusifie l allure de OINH. 9/11

12 PRODUCTION D UNE SOLUTION Documenaion du circui CD Temporisaeur programmable Le CD4536 es un emporisaeur programmable permean d obenir des emporisaions de durées élevées. Celles-ci dépenden de la fréquence d horloge ainsi que des éas des enrées de programmaion. Ce circui es composé de 24 diviseurs de fréquence par 2 en cascade. Ainsi, sur une sorie numéro n, on obien une division de fréquence du signal d horloge par 2 n (n =1 à 24). On sélecionne une sorie parmi les 24 grâce aux enrées de sélecion A, B, C, D e à l enrée 8-BYP. (Voir ableau suivan). La sorie es DO. Le signal d horloge es appliqué sur l enrée IN1 (acive sur fron descendan). L éa de OINH perme l auorisaion (niveau bas) ou pas (niveau hau) du compage. On peu égalemen le configurer en mode 1 ou en mode 2 (on effecue la division de fréquence par 2 n mais la durée à l éa hau es limiée à une durée Tw déerminée par un réseau RC. (Voir exemples). Numéros des sories de division D C B A 8-BYP = 0 8-BYP = A B C D 8-BYP CINH MONO OINH IN1 R S 2 1 VDD :broche 16 GND :broche 8 O1 O2 DO Exemple : division de fréquence par 4 sorie 2 DCBA=0001 ; 8-BYP=1 Exemple : division de fréquence par 4 sorie 2 DCBA=0001 ; 8-BYP=1 IN1 T IN1 IN1 T IN1 DO 4.T IN1 DO 4.T IN1 R R Tw Broche 15 VDD Tw = 0,3.R T.C T R T 10kΩ R T Broche 15 GND Mode 1 C T GND Mode 2 10/11

13 PRODUCTION D UNE SOLUTION Quesion 17 (répondre sur copie e sur le documen réponse R3) Le minueur es réalisé auour d un circui emporisaeur CD4536 (voir documen 10/11) On se propose de configurer le circui CD4536 de manière à obenir le signal de sorie DO conforme aux chronogrammes. Sachan que le signal présen sur l enrée d horloge du CD4536 es de 50Hz (signal H élaboré à parir de la ension seceur) e que l on désire un changemen d éa de DO au bou de 45 minues environ : Précisez en jusifian les éas à donner aux enrées A, B, C, D e 8-BYP. Compléer les liaisons sur les enrées A, B, C, D, 8-BYP. Raccorder le signal H à la broche adéquae du circui CD4536. Quesion 18 (répondre sur le documen réponse R3 e sur copie) On désire un foncionnemen en mode 2. Compléer le schéma e repérer les élémens ajoués. Faire un choix de valeurs normalisées dans la série E24 (résisance) e E6 (condensaeur) (voir à la fin de la page) de manière à obenir un emps au niveau hau sur DO duran environ 2 secondes. Quesion 19 (répondre sur le documen réponse R3) On observe sur les chronogrammes que l enrée OINH es mise à «1» par passage à «0» de A (e donc de DO) e remise à «0» par un passage à «0» de Sélcaf. Cela nécessie l emploi d une bascule R S. ( réalisée à l aide de pores NAND CI1A e CI1B ). Compléer le câblage de la bascule. Quesion 20 (répondre sur le documen réponse R3) La sorie DO es desinée à commander le relais RL1 qui commandera la mise en roaion du groupe café permean ainsi l expulsion de la pasille de marc usagé. La commande de la bobine du relais se fai par l inermédiaire d un ransisor T2 en commuaion. Compléer les liaisons sur le schéma. On ajouera une diode de roue libre nécessaire à la proecion du ransisor. Quesion 21 (répondre sur le documen réponse R3) Sachan que le ransisor T2 e le relais on les caracérisiques suivanes : T2 : V CEsa = 0,4V V BEsa = 0,6V β mini = 120 Relais RL1 : Résisance de la bobine Rb = 850Ω V DO = 12V quand DO es au niveau logique hau. Calculer la valeur de la résisance R4. Faire un choix de valeur normalisée. (Aide : Pour effecuer ce calcul, il es nécessaire de calculer I Csa e I Bsa ) Les résisances seron choisies dans la série E24 (±5%) : 10 ;11 ;12 ;13 ;15 ;16 ;18 ;20 ;22 ;24 ;27 ;30 ;33 ;36 ;39 ;43 ;47 ;51 ;56 ;62 ;68 ;75 ;82 ;91 Les condensaeurs seron choisis dans la série E6 (±20%) : 10 ;15 ;22 ;33 ;47 ;68 11/11

14 DOCUMENT REPONSE GRAFCET poin de vue P.O 1 Auorisaion 2 Disribuer une dose de café moulu Dose de café disribuée?..?.. 3 C Disribuer une dose d eau pour café «cour» C Disribuer une dose d eau pour café «long» Café disribué 4? Préparer une dose de café Doseur d eau rempli e dose de café prêe 10 X2 + 45min/X1 11 Faire ourner le groupe café de ? Tasser la dose au pose d infusion Dose assée e marc évacué??.. Remarque : C n es pas une acion mais un symbole indiquan qu une acion es condiionnée. R1

15 DOCUMENT REPONSE Données : O 1 A = 38 mm ; O 1 O 2 = 54 mm ; N 1/0 = 12 r/mn Echelle des schémas 1 : 1 Echelle conseillée pour les viesses : 1 mm 1 mm/s Noa : veuillez indiquer clairemen les angles drois Posiion 1 : enrée du gale dans la rainure θ = - π/4 rad β = 0 1 y A 2 y 2 ω 1/0 θ O 2 0 O 1 x ω 2/0 x 2 Posiion 2 θ = - π/11 rad β = + π/11 rad y y 2 ω 1/0 θ x ω 2/0 β x 2 R2

16 Posiion3 θ = 0 β = π/4 rad DOCUMENT REPONSE y y 2 ω 1/0 ω 2/0 β Posiion 4 θ = π/12 rad β = 2π/5 rad y x 2 y 2 ω 2/0 ω 1/0 x θ β Posiion 5 : sorie du gale de la rainure θ = π/4 rad β = π/2 rad y x 2 y 2 x ω 2/0 β ω 1/0 θ x 2

17 DOCUMENT REPONSE VDD Sélcaf R1 D1 A C1 CI1A & & CI1B Mémorisaion H 220V ~ 50Hz R5 D2 Tr1 R6 R7 Généraion d un signal d horloge 50Hz R2 R3 VDD Temporisaion VDD T1 A B C D 8-BPY CINH MONO OINH IN1 VDD = 12V Les circuis son alimenés sous VDD R RL1 R 2 O1 4 O2 5 DO 13 DO S 1 CI R4 28V T2 Vers la commande du moeur du groupe café R3