HEI automatique 2002 tc tronc commun

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UntitledLe 20/11/2001à cole des HAUTES à TUDES INDUSTRIELLESDépartement : AUTOMATIQUE H.E.I. 3 Tronc communDurée de l'épreuve : 3 heures Sans document, Sans calculatriceL'énoncé comporte 12 pagesà PREUVE DE SYNTHà SE D'AUTOMATIQUE 2001-2002PROBLà ME : Ligne de production de briques en terre cuitePrésentation du produitLa fonction de la ligne de production est de fabriquer des briques de cloison en terre cuite et de lesconditionner sur des palettes.Ces briques de cloison sont traversées d'alvéoles qui permettent une diminution du poids et une augmentationde l'isolation phonique et thermique.Les principales caractéristiques sont définies dans le tableau ci-dessous :Figure 1 . Dimension des briquesà paisseur e (cm) Longueur L (cm) Hauteur h (cm) Masse (Kg)Brique de plafond 3 40 20 2,24 2,5Brique standard 5 40 20 3,57 5Brique grand 5 66 50 14format 7 20Présentation de la ligne de productionLa ligne et son environnement1 UntitledLes différents modules de l'unité de production de briques en terre cuite, présentée figure 2 sont lessuivants :• la préparation• le façonnage• le séchage• la cuisson• le stockageFigure 2 . Modèle A-0 de la ligne de productionDescription du processusPréparation : elle a pour but d'obtenir une pâte avec la granulométrie, la plasticité et l'homogénéiténécessaires pour la suite des opérations. Elle comporte en général le dosage des constituants (eau, argile,calcaire, sable...) la fragmentation et le broyage, ...
Publié le : mardi 5 juillet 2011
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Le 20/11/2001
École des HAUTES ÉTUDES INDUSTRIELLES
Département : AUTOMATIQUE H.E.I. 3 Tronc commun
Durée de l'épreuve : 3 heures Sans document, Sans calculatrice
L'énoncé comporte 12 pages
ÉPREUVE DE SYNTHÈSE D'AUTOMATIQUE 2001-2002
PROBLÈME : Ligne de production de briques en terre cuite
Présentation du produit
La fonction de la ligne de production est de fabriquer des briques de cloison en terre cuite et de les
conditionner sur des palettes.
Ces briques de cloison sont traversées d'alvéoles qui permettent une diminution du poids et une augmentation
de l'isolation phonique et thermique.
Les principales caractéristiques sont définies dans le tableau ci-dessous :
Figure 1 . Dimension des briques
Épaisseur e (cm) Longueur L (cm) Hauteur h (cm)
Masse (Kg)
Brique de plafond
3
40
20
2,2
4
2,5
Brique standard
5
40
20
3,5
7
5
Brique grand
5
66
50
14
format
7
20
Présentation de la ligne de production
La ligne et son environnement
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1
Les différents modules de l'unité de production de briques en terre cuite, présentée figure 2 sont les
suivants :
la préparation
le façonnage
le séchage
la cuisson
le stockage
Figure 2 . Modèle A-0 de la ligne de production
Description du processus
Préparation
: elle a pour but d'obtenir une pâte avec la granulométrie, la plasticité et l'homogénéité
nécessaires pour la suite des opérations. Elle comporte en général le dosage des constituants (eau, argile,
calcaire, sable...) la fragmentation et le broyage, l'élimination d'impuretés et le mélange proprement dit avec
l'humidification.
Façonnage
: le façonnage le plus pratiqué pour la brique est l'extrusion. Les briques sont formées dans une
extrudeuse à vis qui malaxe la pâte et qui la pousse à travers la filière pour donner la géométrie de la section
de la préforme. L'ébauche de la brique obtenue est découpée transversalement à une longueur fixée puis
évacuée vers le four de séchage.
Séchage
: les briques crues sont stockées dans des chariots qui circulent à travers le séchoir. (un stock tampon
permet l'accumulation de la production de l'extrudeuse pendant les changements de chariots). Le séchage a
pour but d'éliminer la presque totalité de l'eau qui a permis le façonnage.
Cuisson
: les briques sèches sont transférées vers un poste de contrôle de planéité avant d'être cuites dans un
four-tunnel porté à la température maximale de 900°. La cuisson des produits séchés leur confère leurs
caractéristiques finales adaptées à leur utilisation pour la construction.
Stockage
: à la sortie du four, les produits sont palettisés, cerclés, houssés et chargés sur camions ou mis sur le
parc de stockage. Souvent des robots sont utilisés pour ces manutentions intermédiaires.
La figure 3 donne le schéma de la ligne de production.
Figure 3 . Schéma de la ligne de production
Implantation des postes sur site
L'étude porte sur le module de façonnage et en particulier sur les différentes fonctions de coupe des briques en
sortie d'extrudeuse. L'implantation des postes du module de façonnage est présentée sur la figure 4.
Figure 4 . Schéma du module de façonnage
Nous allons étudier les Grafcets de la zone "coupe à la volée" ainsi que la zone "formation d'un lot de
briques". Le reste de la ligne est découpé en petites parties.
I . Fonction "coupe à la volée"
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2
Cette partie permet la coupe des colombins en sortie de l'extrudeuse. La coupe se fait à la volée, donc la
coupeuse doit suivre le mouvement du tapis pour éviter la déformation du colombin et de l'outil. Les figures 5
et 6 montrent la zone de coupe sous différentes vues.
Figure 5 . Schéma vue de dessus de la fonction coupe à la volée
Figure 6 . Schéma vue de face de la fonction coupe à la volée
Cette première zone permet de couper les colombins à la volée en sortie de l'extrudeuse.
Un codeur, en contact permanent avec le tapis, nous permet de mesurer avec précision et de façon continu la
longueur
dis
du colombin coupé. Le contrôle de cette longueur est réalisé par comparaison entre la valeur de
dis
et la valeur de la longueur de coupe souhaitée. Nous noterons
ref
, la valeur de la longueur de colombin
souhaitée.
Pour permettre une coupe régulière, la coupeuse doit être solidaire du tapis au moment de la coupe et
indépendante au moment du positionnement à l'origine de la coupeuse. Le cycle de fonctionnement de la
coupe à la volée est le suivant :
Si les actionneurs sont tous en position initiale, la coupeuse vient d'abord s'agripper au tapis qui
transporte les colombins à l'aide de deux vérins pneumatiques double effet V1 et V2, commandés
chacun par un distributeur bistable à commande électro-pneumatique (commandes
V1-
,
V1+
,
V2-
et
V2+
). Les actions
V1+
et
V2+
sont donc réalisées simultanément jusqu'à ce que les détecteurs
magnétiques de fin de course haut
v1h
et
v2h
soient tous les deux à 1. Nous supposerons que les deux
vérins fonctionnent parfaitement et que leurs tiges ne peuvent pas rester bloquées au cours de la
translation. Par conséquent, elles arrivent toujours en fin de course.
Une fois la coupeuse agrippée, la valeur de la longueur du colombin est mise à zéro (
dis
 = 0) et
nous coupons le colombin grâce à une lame placée sur un vérin pneumatique double effet V3,
commandé par un distributeur bistable à commande électro-pneumatique (commandes
V3-
,
V3+
).
L'action
V3-
est donc réalisée jusqu'à ce que le détecteur magnétique de fin de course bas
v3b
soit à 1.
Nous attendons alors que la lame soit arrivée en fin de course gauche. A ce moment, le capteur de
position gauche
fcg
est enclenché (
fcg
 = 1). La lame doit alors revenir en position initiale et, en
même temps, les vérins V1 et V2 doivent être desserrés. Pour cela, nous effectuons respectivement les
actions
V1-
et
V2-
simultanément jusqu'à ce que les détecteurs magnétiques de fin de course bas
v1b
et
v2b
soient tous les deux à 1. En même temps, la lame est remontée en position haute en effectuent
l'action
V3+
jusqu'à ce que le détecteur magnétique de fin de course haut
v3h
soit à 1, puis, nous
mettons en route le moteur
Mo
et nous embrayons le moteur sur la courroie par l'action
EMB
. La
coupeuse est alors déplacée vers la droite et dès que le capteur de position droit
fcd
est enclenché
(
fcd
 = 1), le moteur peut être débrayé et arrêté.
La coupeuse étant remise en position initiale, dès que la longueur mesurée correspond bien à la
longueur souhaitée, (
dis
 =Â
ref
), la coupeuse peut effectuer une nouvelle coupe.
1 / Réaliser le Grafcet de la fonction "coupe à la volée" en tenant compte des spécifications
technologiques.
Nous désirons implanter ce Grafcet sur un automate.
2 / Écrire le programme en langage littéral.
II . Fonctionnement de la zone formation d'un lot de briques
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3
La chaîne étudiée est constituée de deux zones de coupes. La première zone que nous venons d'étudier permet
de former des colombins, ensuite, nous passons à une deuxième coupeuse qui permet de faire deux briques
dans un colombin et de constituer un lot de briques. Les figures 7 et 8 montrent la zone de coupe sous
différentes vues.
Figure 7 . Schéma vue de dessus de la fonction coupe
Figure 8 . Schéma vue de dessus de la fonction coupe
Cette zone est approvisionnée en colombins de terre découpés à la volée (coupe biaisée) à l'aide d'un seul fil
(fonctionnement décrit ci-dessus). En fin de coupe biaisée, 2 colombins se présentent devant le pousseur situé
à l'entrée de cette zone. Le passage de ces 2 colombins à travers 3 fils coupeurs fixes donne les briques qui
sont ensuite séparées et stockées en 2 rangées parallèle formant ainsi un lot (10 rangs de 2 briques).
La zone formation d'un lot de briques est composée :
d'une zone de coupe dont le fonctionnement sera décrit par le Grafcet "coupe",
d'une zone de séparation de briques et de stockage dont le fonctionnement sera décrit par le Grafcet
"séparation briques et stockage".
II.1 . Élaboration du Grafcet "coupe"
Le fonctionnement est défini par les schémas des figures 9, 10 et 11 ci-dessous. Le cycle de fonctionnement
de la coupe est le suivant :
Si les actionneurs sont tous en position initiale (voir figure 9, page suivante), nous attendons l'arrivée
de 2 colombins découpés. Après l'arrivée de ces 2 colombins,
s5
, le détecteur de proximité
photoélectrique passe de 1 à 0 (information
↓s5
) et les 6 rouleaux libres descendent (la tige du
vérin pneumatique double effet V1C est rentrée par l'action
V1C-
jusqu'à ce que le détecteur
magnétique de fin de course bas
v1cb
soit à 1).
Nous effectuons ensuite la translation du pousseur (voir figure 10, page suivante) en commandant le
moteur asynchrone triphasé M1 par le contacteur inverseur KM1 (l'action
KM1-0
entraîne le
déplacement du pousseur vers la droite tandis que l'action
KM1-1
engendre le déplacement du
pousseur vers la gauche) ainsi que la mise en marche du convoyeur Cv2 en commandant le moteur
asynchrone triphasé M2 par le contacteur KM2 (l'action
KM2
entraîne le déplacement du convoyeur
Cv2 vers la gauche).
Figure 9 : Zone de coupe en position initiale (un colombin est demi-coupé)
Le passage devant le détecteur de proximité inductif
s7
autorise la mise en marche du convoyeur Cv3
(voir figure 10). La marche du convoyeur Cv3 n'est pas gérée dans le Grafcet de "coupe".
Figure 10 : Zone de coupe pendant la translation du pousseur
Figure 11 : Zone de coupe en position fin de coupe
Lorsque le pousseur arrive en position fin de coupe (voir figure 11), le détecteur de proximité inductif
s8
passe à 1. Dans cette position, simultanément, le convoyeur Cv2 est arrêté, le pousseur se soulève
pour ne pas frotter grâce au vérin pneumatique double effet V2C, commandé par un distributeur
bistable à commande électro-pneumatique (action
V2C-
jusqu'à ce que le détecteur magnétique de fin
de course haut
v2ch
soit à 1), le pousseur revient en position initiale (action
KM1-0
jusqu'à ce que le
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4
détecteur de proximité inductif
s6
soit à 1 suivie de l'action
V2C+
jusqu'à ce que le détecteur
magnétique de fin de course haut
v2cb
soit à 1), les rouleaux sont remontées grâce au vérin V1C
(action
V1C+
jusqu'à ce que le détecteur magnétique de fin de course haut
v1ch
soit à 1) et le
convoyeur Cv3 continue de fonctionner.
3 / Réaliser le Grafcet "coupe" en tenant compte des spécifications technologiques.
Nous désirons câbler ce Grafcet en utilisant des bascules RS.
4 / Donner les équations des entrées R et S de chacune des bascules que vous utiliserez en fonction des
entrées, des sorties et d'une variable d'initialisation I ainsi que les équations de chacune des actions du
Grafcet.
II.2 . Élaboration du Grafcet "séparation briques et stockage"
Cette étude porte sur la prise en compte et le stockage des rangs 1 à 10 d'un lot. Elle se décompose en deux
parties. La première parite porte seulement sur la prise en compte du rang 1 et la deuxième partie porte sur la
prise en compte des rangs 2 à 10.
Avant de lancer la production, aucun colombin ne se trouve demi-coupé sur le coupeur. Dès le lancement de
la production, lors du premier déplacement du pousseur, seul le premier colombin constituant le rang 1 est
coupé. Le second colombin constituant le rang 2 est demi-coupé et reste entre les 3 fils coupeurs (situation
représentée sur la figure 12).
Figure 12 . Début de production d'un nouveau type de brique
Le positionnement du rang 1 sur le convoyeur Cv4 est obtenu à l'aide des 2 détecteurs de proximité
s3
et
s4
.
Notations
½ pas
:
largeur de brique additionné d'un espace entre 2 rangs (capteur
pas/2
),
L2 : distance parcourue par 1 rang après l'apparition de
s3
pour permettre la prise par le convoyeur
Cv4 (L2 est réglée grâce à une temporisation notée T2 d'une durée t2 en secondes),
C1
: compteur de rangs (incrémenté à l'apparition de
s4
).
Fonctionnement de la zone séparation briques et stockage
Début de production d'un nouveau type de brique : seul le rang 1 est déplacé par Cv3.
L'apparition de
s7
donnée par le pousseur provoque la mise en marche du convoyeur Cv3. En position
fin de course de coupe (
s8
est à 1), le rang 1 est déplacé par le convoyeur Cv3 et le colombin 2 reste
demi-coupé sur le coupeur. Le convoyeur Cv3 est actionné par le moteur asynchrone triphasé M3 qui
est commandé par le contacteur KM3 (l'action
KM3
entraîne le déplacement du convoyeur Cv3 vers
la gauche).
Le passage devant
s3
(information
↑s3
) provoque le déplacement du rang 1 d'une distance L2
obtenue par la temporisation T2. La durée t2 de cette temporisation est réglée de telle sorte qu'à la fin
de T2, le rang 1 arrive sur le convoyeur Cv4 qui est alors mis en marche pour avancer le rang 1 d'un
½ pas (Cv3 n'est pas arrêté). Le convoyeur Cv4 est actionné par le moteur asynchrone triphasé M4
qui est commandé par le contacteur KM4 (l'action
KM4
entraîne le déplacement du convoyeur Cv4
vers la gauche).
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5
Le passage devant
s4
(information
↑s4
) provoque l'incrémentation du compteur
C1
et l'arrêt de
Cv3.
Enfin, nous attendons que Cv4 est avancé d'un ½ pas (le capteur
pas/2
passe à 1) avant de l'arrêter.
Suite de la production : les autres rangs sont déplacés (voir figure 13)
Figure 13 . Déplacement des rangs "2-3" : (ou "4-5", ou "6-7", ou "8-9", ou "10-1")
Dès l'apparition des deux rangs suivants (information
↑s7
), le convoyeur Cv3 est remis en marche
de façon à déplacer les rangs "2-3", ou "4-5", ou "6-7", ou "8-9", ou "10-1" (dans la notation "10-1",
le "1" correspond au 1
er
rang du lot suivant).
Si
↑s3
est obtenu, alors le convoyeur Cv3 continue le déplacement des rangs sur une distance L2
grâce à la temporisation T2 de durée t2 (voir figure 13).
Si la fin de T2 est atteinte et que C1Â <Â N (N est une valeur à déterminer pour obtenir un lot de 10
rangs), alors :
Cv3 s'arrête et Cv4 est remis en marche pour séparer les 2 rangs.
Si
↑s4
est obtenu (passage du rang 2 ou 4 ou...), alors le compteur
C1
s'incrémente et Cv3 est remis
en marche (voir figure 14).
Si
↑s4
est obtenu (passage du rang 3 ou 5 ou...), alors le compteur
C1
s'incrémente et Cv3 s'arrête
(voir figure 14).
Nous attendons que Cv4 est avancé de deux ½ pas (1 pas) avant de l'arrêter. Pour cela, nous
attendons d'obtenir
↑pas/2
après le second front montant de
s4
puisque Cv4 doit continuer de
fonctionner après le premier front montant de
s4
.
A l'apparition de
s7
lors de la poussée suivante , le cycle reprend (le fonctionnement est décrit par la
figures 13) jusqu'aux derniers rangs "10-1" du lot.
Figure 14 . Déplacement des rangs "2-3" à "8-9" (C1Â <Â N)
Figure 15 . Déplacement des rangs "10-1" (C1Â =Â N)
Pour les rangs "10-1", les opérations représentées figure 13 sont exécutées puis, si la fin de T2 est
atteinte et que C1Â =Â N, l'opération représentée figure 14 devient (voir figure 15)Â :
Si
↑s4
(passage du rang 10) est obtenu, alors le compteur C1 s'incrémente, Cv3 n'est pas remis en
marche (le rang 1 n'avance pas). Seul le rang 10 est par conséquent entraîné par Cv4 qui est en
marche.
Après l'avance d'un pas du rang 10 (deux passages à un du capteur
pas/2
), Cv4 s'arrête.
L'alimentation en colombins découpée à la volée continue (La vitesse de déplacement des colombins
est réglée de telle sorte que deux rangs ont toujours le temps d'être transférés ver la zone de formation
d'un lot de briques). L'apparition de
s7
(lors d'une nouvelle poussée des rangs "2-3") permet la mise
en marche de Cv3.
Le déplacement L1 du rang 1 du lot suivant est obtenu par une temporisation notée T1 d'une durée t1.
A la fin de T1, le compteur C1 est remis à zéro et le convoyeur Cv4 est mis en marche afin d'avancer
le rang 1 d'un ½ pas.
Le convoyeur Cv3 continue de se déplacer et le fonctionnement de la production du lot suivant
reprend à la figure 12, l'apparition de
s7
pour le rangs "2-3" ayant déjà eu lieue.
5 / Réaliser le Grafcet "séparation briques et stockage" en tenant compte des spécifications
technologiques.
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6
Nous notons
Q
, la valeur du compteur C1 qui est codée en binaire naturel sur 4 bits Q
3
, Q
2
, Q
1
et Q
0
de poids
respectifs 8, 4, 2 et 1. La valeur
N
programmable permettant de spécifier le nombre de briques par lot est
également codée en binaire naturel sur 4 bits N
3
, N
2
, N
1
et N
0
de poids respectifs 8, 4, 2 et 1. Afin de
comparer
Q
et
N
, nous allons effectuer une comparaison bit à bit en commençant par les bits de poids fort. Si
les bits de poids forts sont différents alors il est possible de connaître le plus grand des deux nombre et dans ce
cas la comparaison des autres bits est inutile. En revanche, si les bits de poids forts sont égaux, il est
nécessaire de comparer les bits de poids immédiatement inférieurs pour connaître le plus grand des deux
nombres.
Nous allons concevoir, dans un premier temps, un système combinatoire permettant de comparer deux bits Q
i
et N
i
. Ce système doit posséder trois sorties E
i
(E
i
 = 1 si Q
i
 = N
i
), G
i
(G
i
 = 1 si Q
i
 > N
i
) et P
i
(P
i
 = 1 si Q
i
 < N
i
). Ces trois sorties ne peuvent pas être à 1 en même temps.
6 / Donner la table de vérité de ce système et déterminer les expressions les plus simples possible des
sorties en utilisant la méthode de votre choix. Réaliser le logigramme le plus simple possible de ce
système.
Lors de la comparaison de deux mots de 4 bits, il est nécessaire de tenir compte du résultat de la comparaison
des bits de poids supérieurs (sorties P
i+1
, E
i+1
, G
i+1
) pour déterminer le résultat de la comparaison des bits
comparés Q
i
et N
i
(sorties P
i
, E
i
, G
i
). Dans le cas où E
i+1
 = 1, la comparaison de Q
i
et N
i
est nécessaire et
nous sommes dans le cas de la question précédente. Dans le cas contraire, elle est inutile et il faut alors
reporter sur les sorties Pi et Gi, le résultat de la comparaison de Q
i+1
et N
i+1
, à savoir Pi = P
i+1
et
Gi = G
i+1
. Le système combinatoire permettant de comparer 2 bits en fonction du résultat de la
comparaison des bits de poids immédiatement supérieurs possèdent donc 5 entrées Q
i
, N
i
, P
i+1
, E
i+1
et G
i+1
et
3 sorties P
i
, E
i
, G
i
. Nous l'appellerons "comparateur 1 bit".
7 / Sachant qu'une seule des entrées P
i+1
, E
i+1
et G
i+1
ne peut être à 1 à la fois (question 6), donner la
table de vérité du comparateur 1 bit et déterminer les expressions les plus simples possible des sorties
en utilisant la méthode de votre choix. Réaliser le logigramme le plus simple possible de ce système.
La réalisation du comparateur complet de deux mots de 4 bits
Q
et
N
se fait donc en mettant en cascade
plusieurs comparateurs 1 bit.
8 / En utilisant plusieurs comparateurs 1 bit, concevoir un comparateur de deux mots de 4 bits Q et N
qui possède trois sorties G (GÂ =Â 1 si QÂ >Â N), E (EÂ =Â 1 si QÂ =Â N) et P (PÂ =Â 1 si QÂ <Â N).
Réaliser le schéma de câblage le plus simple possible de ce système.
Le compteur C1 est incrémenté à chaque front montant de
s4
et il est remis à zéro dès la fin de la
temporisation T1.
9 / En utilisant des bascules JK synchronisées sur des fronts montants et possédant des entrées de
forçage complémentées, réaliser le compteur C1 en technologie synchrone puis en technologie
asynchrone. Donner les logigrammes correspondants.
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