ETUDE DES SYSTEMES Table des matières 1. Contexte... 2 1.1 Historique des systèmes industriels... 2 1.2 Conception d un système innovant (actuel)... 3 1.2.1L entreprise... 3 1.2.2 Cycle de conception... 3 1.2.3 La validation du Cahier des Charges Fonctionnel... 3 2. Présentation générale des systèmes... 4 2.1 Définitions... 5 2.1.1 Système... 5 2.1.2 Composant et organisation... 5 2.1.3 Frontière... 5 2.2 Matière d œuvre et valeur ajoutée (notions programme précédent)... 6 2.2.1 Fonction Globale... 6 2.2.2 Matière d œuvre... 6 2.2.3 Valeur ajoutée... 6 2.3 Classification des systèmes... 6 2.3.1 Contexte ou domaine d application... 6 2.3.2 Critères Technico-économiques... 7 2.4 Points de vue de l Analyse Système... 7 3. L Ingénierie Système... 7 3.1 Définition de l Ingénierie Système... 7 3.2 Les systèmes complexes... 7 3.2.1 Notion de complexité... 7 3.2.2 Représentation des systèmes complexes... 7 3.2.3 Démarche d analyse des systèmes complexes... 8 3.3 Processus de conception des systèmes complexes... 8 4. Architecture d une chaîne fonctionnelle... 9 4.1 Décomposition partie commande partie opérative... 9 4.2 Architecture topo-fonctionnelle d un système et Chaînes fonctionnelles... 10 4.2.1 Schéma d architecture topo-fonctionnelle... 10 4.2.2 fonctions techniques - composants... 12 SYNTHESE... 12 Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 1 sur 12
xx ème siècle : développements intenses de l'automatisation puis de l'informatisation. L'Organisation Scientifique du travail est réalisée (Taylor, rationalisation de process,chronométrage...). Les systèmes créés sont de plus en plus complexes et multidisciplinaires : la conception s'organise autour de groupes de travail comportant des ingénieurs de différentes spécialités : mécanique, électronique, asservissement, matériaux. Analyser 1. Contexte 1.1 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 : - Jusqu à la fin du XVII ième siècle : travail essentiellement manuel - XVIII ième et XIX ième siècles : mécanisation forte, utilisation de nouvelles sources d énergies - XX ième siècle : 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. Robot cueilleur de fruit Citrus de la société Pellenc implantation mécanique du coupé Z3 Montage de la garniture du toit : opération réalisée par un robot disposition des systèmes de sécurité passive de l'audi TT version Coupé Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 2 sur 12
CAHIER DES CHARGES FEU X D E SIGNA LISA TION 36-04 - 507 / -- c Analyser 1.2 Conception d un système innovant (actuel) 1.2.1L entreprise Entreprise Le produit industriel constitue la réponse d une entreprise aux besoins des utilisateurs. Utilisateurs (besoins) Produit industriel Marché Le produit industriel permet à l entreprise de vivre, de se développer au sein d un marché concurrentiel. Pour cela, elle doit donc satisfaire le client, c est à dire répondre au mieux à son besoin. 1.2.2 Cycle de conception But : Passer du rêve du client au produit final Phase préparatoire Définition du produit et des moyens de production Mise en œuvre en usine Production en série CdC Réalisation des outillages Le besoin est exprimé Le véhicule est défini La commercialisation est lancée 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 suffisants pour son développement. 1.2.3 La validation du Cahier des Charges Fonctionnel Le processus de conception du produit industriel est nécessairement itératif, à l image du diagramme simplifié de la figure Figure 3 : Processus de conception partant du CdCF Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 3 sur 12
- Une fois le cahier des charges décidé, une solution technique est imaginée et ses performances sont estimées par un ensemble de calculs afin d établir les écarts entre les spécifications du cahier des charges et les performances atteintes. La première solution proposée est souvent dans les grandes industries (automobile, électroménager) une reconduction de la solution précédente. - Cette première solution sera une base pour les solutions suivantes, dans lesquelles les défauts sont corrigés jusqu à converger vers une solution optimale. - Cette solution impose souvent des compromis sur les critères peu stratégiques du CdCF qui ne sont pas toujours validés. A retenir : tous les travaux mis en œuvre se justifient par un ou plusieurs critères du CdCF et tous les critères du CdCF font l objet d une ou plusieurs validations sur le produit réalisé. Exemple de critères principaux dans le cas d un véhicule automobile : Figure 4 : Critères de performance du système 2. 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 ENTREES SYSTEME SORTIE S Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 4 sur 12
2.1 Définitions 2.1.1 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, 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. 2.1.2 Composant et organisation Un composant est un élément destiné à remplir une fonction particulière au sein d un système ou d un sous-système. Figure 5 : Vélo de course et ses composants 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 ). Il faut aussi appréhender les relations entre les composants afin de déterminer le fonctionnement global du tout. 2.1.3 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. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 5 sur 12
2.2 Matière d œuvre et valeur ajoutée (notions programme précédent) 2.2.1 Fonction Globale Données de contrôle : Energie, Configuration, Réglage, Exploitation Entrée M.O. Faire sur la matière d œuvre A-0 Sortie M.O. + V.A. Sorties annexes Elément qui réalise la fonction La fonction globale de tout système conçu par l homme est d ajouter 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. 2.2.2 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...) 2.2.3 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) 2.3 Classification des systèmes 2.3.1 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. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 6 sur 12
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 2.3.2 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. 2.4 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 ). 3. L Ingénierie Système 3.1 Définition de l Ingénierie Système Ingénierie système : L ingénierie système est une approche scientifique interdisciplinaire dont le but est de formaliser et d appréhender la conception de systèmes complexes avec succès. L ingénierie système se fonde donc sur une analyse des échecs antérieurs afin d apporter des solutions et d éviter qu ils ne se reproduisent. 3.2 Les systèmes complexes 3.2.1 Notion de complexité Un système est dit complexe lorsque les inter-relations liant les composants sont multiples, interdépendantes et bouclées. Le comportement global n est donc pas directement prévisible à partir des comportements élémentaires des composants 3.2.2 Représentation des systèmes complexes Dans un système complexe, les flux de matière, d énergie ou d information échangés entre les composants, les relations orientées ou non et les bouclages ne permettent pas de décrire un système simplement sous la forme d un texte ou d un discours et l utilisation d un support graphique devient rapidement indispensable. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 7 sur 12
Dans un système complexe, la présence de niveaux hiérarchiques nécessite souvent un assemblage de représentations graphiques organisées par niveaux et par points de vue : le langage SysML développé dans la suite est un des outils adaptés à cette étude. 3.2.3 Démarche d analyse des systèmes complexes Une approche classique dite «académique» s attachera à isoler les composants élémentaires d un système, poser les propriétés ou le modèle de ces composants, puis assembler progressivement ces propriétés ou modèles pour en déduire le comportement global. Ce type d analyse appelé «ascendante» ou «bottom-up» ne peut raisonnablement se faire que si la complexité du système reste limitée ou maîtrisée. L analyse d un système complexe s adpate mieux à une approche «descendante» ou «top-down» : à partir de la description globale du système sous forme d une boîte noire liant les entrées et les sorties, l architecture est progressivement détaillée par niveaux hiérarchiques jusqu à aller aux détails de conception. Souvent, cette analyse s arrête au niveau du composant. 3.3 Processus de conception des systèmes complexes L Ingénierie Système est la démarche de conception des systèmes complexes en entreprise. L aspect pluri-technique de tels systèmes implique : - la participation de spécialistes de cultures différentes : des outils de communication et de modélisation communs tels SysML (cours N 2) sont nécessaires - les délais réduits nécessitent un travail en parallèle des équipes - la complexité des systèmes et les inter-relations entre les composants nécessitent une adaptation permanente des paramètres. La conception des systèmes ne peut pas être linéaire. Une méthode répandue en industrie est le «cycle en V», qui décline la conception en deux phases : - la phase descendante permet de morceler le problème global en sous-problèmes jusqu à aboutir à une définition des composants. - la phase ascendante permet de valider à l aide de calculs ou d essais chaque composants puis soussystème jusqu au produit final. A chaque étape, un échec (test négatif) entraîne des modifications sur la solution technique. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 8 sur 12
Figure 6 : Vélo de course et ses composants 4. Architecture d une chaîne fonctionnelle 4.1 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. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 9 sur 12
Préactionneur s capteurs Analyser Energie Matière d Oeuvre PARTIE OPERATIVE Matière d œuvre + Valeur Ajoutée Homme PARTIE COMMANDE Autres PC 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 4.2 Architecture topo-fonctionnelle d un système et Chaînes fonctionnelles 4.2.1 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. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 10 sur 12
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) Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 11 sur 12
Chaîne d énergie Analyser 4.2.2 fonctions techniques - composants La Chaîne d Energie d un système automatisé est la suivante : Fonctions techniques STOCKER - ALIMENTER MODULER CONVERTIR TRANSMETTRE Composants énergie électrique du réseau EDF, prise réseau, raccord réseau pneumatique, piles, accumulateurs contacteur, relais d alimentation d un moteur, de variateur ou encore distributeurs pneumatique ou hydrauliques Moteur électrique, moteurs thermique, vérins hydraulique, pneumatique, 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/CODER TRAITER COMMUNIQUER effecteur capteurs analogiques, numérique mais aussi des interfaces homme/machine et de systèmes numériques d acquisition de données. 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, ) liaisons informatiques simples entre les deux chaînes (liaison série de l ordinateur, liaison parallèle, réseau Ethernet), mais aussi de bus plus complexes 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. Sciences Industrielles de l Ingénieur PCSI MPSI Page 12 sur 12