DEVOIR AUTOMATIQUE- ELECTROTECHNIQUE METIERS DE L EAU (1ère année) L'usage de la calculatrice est autorisé conformément aux dispositions de la circulaire n' 86.228 du 28 juillet 1996 L'usage des documents personnels est interdit INSTRUCTIONS DESTINEES AUX CANDIDATS: Le sujet comprend cinq parties: 1 ère partie : PRESENTATION GENERALE. Lecture : 10 min 2ème partie : CHOIX D UN CAPTEUR Durée conseillée :15 min 3ème partie: CONVERSION Durée conseillée: 25 min. 4ème partie: COMMANDE LOGIQUE Durée conseillée: 30 min 4ème partie: ELECTROTECHNIQUE Durée conseillée: 30 min.
1 ère partie : PRESENTATION GENERALE Le synoptique de la station d épuration de la station de la CC3F est donné ci-dessous pour information, on y trouve en particulier le traitement biologique.
Sur les stations d épuration, l élimination de l azote fait partie de ce que l on appelle le traitement biologique. La réduction des composés azotés est réalisée par un procédé appelé nitrification/dénitrification La nitrification est l oxydation de l ammonium (NH 4 + ) en nitrate (NO 3 - ) via le nitrite(no 2 - ). La dénitrification est un processus de respiration microbienne par lequel les nitrates sont utilisés comme accepteurs d électrons durant l oxydation anaérobie de la matière organique. La dénitrification convertit le nitrate en azote gazeux (N 2 O et N 2 ) à travers plusieurs étapes catalysées chacune par une enzyme spécifique. Pour utiliser la capacité totale de dénitrification d une station d épuration, une mesure continue de la concentration en nitrates à la sortie de l étape de dénitrification est utile. La recirculation des eaux usées dans la cuve de dénitrification est régulée de façon très efficace avec cette mesure. Une faible valeur de nitrates, mesurée à cet endroit, signifie un degré de recirculation plus efficace. Cela est synonyme d économies. La mesure peut être réalisée à l aide de capteurs optiques tels que le Stamosens CNM750 (transmetteur) associé au CNS70 (capteur). L étape de dénitrification est influencée par la température, la valeur de ph, l âge de la boue et la concentration en composants organiques dégradables. Le réseau d alimentation de la station d épuration est un réseau triphasé de tension simple 230Vac. Les appareils électriques monophasés sont alimentés par la tension simple. Les capteurs/transmetteurs sur la station délivrent tous du 4/20 ma et ne disposent pas de spécifications particulières. Dans cette étude de cas, on s intéresse dans un premier temps au choix et au câblage de l ensemble CNM750/CNS70. Dans la deuxième partie on souhaite comprendre la mesure de température dans le bassin d aération. Dans la troisième partie, on étudie la recirculation des boues par pompage. En dernier lieu, on s intéresse au réseau d alimentation de la station d épuration
2 ème partie : Choix du matériel Hendress + Hauser Pour cette partie, on utilise la documentation fournie en annexe 1. Les réponses sont uniquement issues ou déduites de cette documentation et seront données en français. Au cas où la traduction en français pose problème, la réponse pourra être très partiellement en anglais. Question 1: Déterminer les grandeurs ayant une inflence sur la mesure de la concentration en nitrate. Question 2: Donner la valeur de la puissance apparente maximale absorbée par le transmetteur Question3: Le transmetteur est alimentée en tension simple, calculer la valeur d intensité maximale absorbée par cet appareil. Question 4: Donner le temps minimal entre deux mesures. Question5: Déterminer si l appareil CNM750 doit être ou non relié à la terre, justifier. Question6: Sachant que le capteur est plongé d environ 1,5 mètre dans l eau, qu il est distant de 8 m du transmetteur et que la concentration en nitrate ne dépasse pas 5mg/L, déterminer la référence (le code produit) du CNM750 et la référence (le code produit) du CNS70. Remarque : en cas d ambiguité, donner les différents codes possibles.
3 ème partie: Etude de la sonde de température La température dans le bassin d aération est mesurée à l aide d un capteurtransmetteur de température, d étendue d échelle de -10 C à +40 C. Le signal 4-20 ma de sortie du transmetteur est appliqué sur une entrée analogique du module d entrées/sorties d un automate programmable industriel (API) L API est le «cerveau» de l installation et est programmé en langage GRAFCET. Température TRANSMETTEUR Signal 4 à 20 ma CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE Signal binaire sur 8 bits API sortie (ma) La représentation de la caractéristique du transmetteur est fournie ci-dessous. 20 4 Température ( C) -10 +40 Question 7: Déterminer la valeur en ma image de +15 C
Question 8: Déterminer mathématiquement la valeur de la température correspondant à 14 ma. L intensité du courant 4/20mA est convertie en nombre binaire naturel non signé sur 8 bits par un convertisseur analogique numérique. Le tableau ci-dessous regroupe les valeurs caractérisant la chaîne de mesure de température. Température ( C) Intensité délivrée par le tranmetteur (ma) Valeur de conversion binaire sur 8 bits -10 4 00000000 +40 20 11111111 Question 9: Déterminer le nombre de valeurs codables avec 8 bits Question 10: Vérifier qu une valeur binaire est associée à une plage de température de 0,1953 C Question 11: Pour une certaine température, on trouve comme valeur binaire 00101011, convertir cette valeur binaire en héxadécimal et en décimal. La représentation binaire est rappelée ci-dessous -10-9.8047-9.6094... +39.8407 +40 00000000 00000001... 11111110 11111111 Question 12: Déterminer la valeur binaire associée à 12 ma Question 13: Déterminer la plage de température associée à la valeur en octal 17.
4 ème partie: Etude de la recirculation des boues par pompage La recirculation dans la phase de traitement biologique est assurée par deux pompes (comme indiqué sur le synoptique de la station). Pour expliquer cette recirculation, un schéma simplifié est proposé-dessous. Le remplissage du réservoir est effectué par surverse et n est pas représenté ici. Soit la station de pompage suivante: P1 P2 P 1 F F P 2 N 2 C N 1 réservoir P1, P2 : pompes de recirculation N 1, N 2 : détecteurs de niveau respectivement bas et haut F : flotteurs C: Inverseur Les détecteurs de niveau N1 et N2 sont actionnés par les flotteurs F. Les détecteurs N 1 et N 2 sont à l'état logique 1 si le niveau d'eau leur est supérieur. Fonctionnement: - Si le niveau d'eau < N 1 alors aucune pompe ne fonctionne - Si le niveau d'eau < N 2 et le niveau d'eau > N 1 alors une seule pompe fonctionne: - Pompe P 1 si C=0 - Pompe P 2 si C=1 - Si le niveau d'eau > N 2 alors les deux pompes fonctionnent Question 14: Identifier les entrées et les sorties du système Question 15: Réaliser la table de vérité des deux pompes suivant l ordre suivant N1 N2 C P1 P2 Question 16: Déduire de votre table de vérité l équation logique de P1 et P2 Question 17: Représenter le logigramme de l équation P1 Question 18: Représenter le schéma électrique de l équation de P2
5 ème partie : Réseau d alimentation de la station d épuration Le réseau de la station d épuration est triphasé de tension simple 230Vac en valeur efficace et de fréquence 50 Hz. Question 19: Déterminer la valeur efficace de la tension composée, rappeler la formule utilisée. Question 20: Déterminer la valeur de maximale de la tension composée, rappeler la formule utilisée. Question 21: Déterminer la période de la tension composée, rappeler la formule utilisée Question 22: Représenter en fonction du temps deux des trois tensions composées, on fera clairement apparaître les échelles utilisées sur votre tracé et/ou les valeurs «stratégiques». Question 23: Vu votre tracé précédent, représenter ces deux tensions composées sur un diagramme de fresnel. Question 24: On souhaite faire des mesures de tension en valeur efficace sur le réseau, citer le nom de l appareil utilisé. Question 25: Sur un moteur triphasé présent sur l installation, on mesure une puissance électrique P de 4800 W et un facteur de puissance de 0,8. Déterminer la valeur de la puissance active, réactive, apparente et la valeur de l intensité par fil de ligne absorbée par le moteur
ANNEXE 1