HEI automatique 2004 tc tronc commun semestre 2

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Hautes Etudes d’IngénieurHEI 3 - Tronc CommunEPREUVE D’AUTOMATIQUEDurée : 3 heuresDate : 23 juin 2004Documents non autorisés1 . TRANSCODEURSoit un système logique à quatre entrées a , a , a , a et quatre sorties b , b , b , b (a et b sont les3 2 1 0 3 2 1 0 3 3bits de poids fort de chacun des mots binaire). Ce système reçoit sur ses entrées le code binaire réfléchid’un chiffre décimal et produit en sortie le code binaire à exces de 3 correspondant. Le code à excès de3 d’un chiffre A est égal au code binaire naturel du nombre décimal A + 3. Un tel système estappelé "transcodeur".La table suivante vous définit le codage binaire réfléchi (CBR) des chiffres décimaux :N CBR0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 13 0 0 1 04 0 1 1 05 0 1 1 16 0 1 0 17 0 1 0 08 1 1 0 09 1 1 0 11. Ecrire la table de vérité des 4 fonctions logiques réalisées par ce système.2. Donner les premières et deuxièmes formes technologiques les plus simples de ces 4 fonctions.3. Réaliser le logigramme des bitsb etb de ce transcodeur uniquement à l’aide de portes NOR3 2et de portes NON.12 . SYNTHESE D’UN COMPTEUR SYNCHRONESoit le compteur synchrone suivant : D Q D Q D Q D Q 0 0 1 1 2 2 3 3D Q D Q D Q D Q Q Q Q Q H H H H H 1. En sachant que la valeur initiale de ce compteur est la valeur décimale 1, déterminer enexpliquant clairement votre résultat la séquence réalisée par ce compteur.2. Donner, si possible, les équations permettant de réaliser cette séquence en technologie asyn-chrone ...
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Hautes Etudes d’Ingénieur HEI 3 - Tronc Commun EPREUVE D’AUTOMATIQUE Durée : 3 heures Date : 23 juin 2004 Documents non autorisés 1 . TRANSCODEUR Soit un système logique à quatre entrées a , a , a , a et quatre sorties b , b , b , b (a et b sont les3 2 1 0 3 2 1 0 3 3 bits de poids fort de chacun des mots binaire). Ce système reçoit sur ses entrées le code binaire réfléchi d’un chiffre décimal et produit en sortie le code binaire à exces de 3 correspondant. Le code à excès de 3 d’un chiffre A est égal au code binaire naturel du nombre décimal A + 3. Un tel système est appelé "transcodeur". La table suivante vous définit le codage binaire réfléchi (CBR) des chiffres décimaux : N CBR 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 1 3 0 0 1 0 4 0 1 1 0 5 0 1 1 1 6 0 1 0 1 7 0 1 0 0 8 1 1 0 0 9 1 1 0 1 1. Ecrire la table de vérité des 4 fonctions logiques réalisées par ce système. 2. Donner les premières et deuxièmes formes technologiques les plus simples de ces 4 fonctions. 3. Réaliser le logigramme des bitsb etb de ce transcodeur uniquement à l’aide de portes NOR3 2 et de portes NON. 1 2 . SYNTHESE D’UN COMPTEUR SYNCHRONE Soit le compteur synchrone suivant : D Q D Q D Q D Q 0 0 1 1 2 2 3 3 D Q D Q D Q D Q Q Q Q Q H H H H H 1. En sachant que la valeur initiale de ce compteur est la valeur décimale 1, déterminer en expliquant clairement votre résultat la séquence réalisée par ce compteur. 2. Donner, si possible, les équations permettant de réaliser cette séquence en technologie asyn- chrone à l’aide de bascules JK front descendant et possédant des entrées de forçage non complémentées (nous ne prendrons pas en compte le bouton initialisation pour la réalisation asynchrone de ce compteur). 3 . AUTOMATISATION D’UN PROCESSUS DE BRASSAGE Présentation du processus Selon la législation française en vigueur, la dénomination "bière" est réservée à la boisson obtenue par fermentation alcoolique d’un moût préparé à partir du malt de céréales, de sucres alimentaires, de hou- blon et d’eau potable. La fabrication simplifiée de la bière comprend trois grandes étapes : le maltage, le brassage et la fermentation. – LE MALTAGE - Le maltage est l’opération consistant à humidifier une céréale pour commencer une germination qui est interrompue par séchage. L’orge est l’ingrédient de base utilisé lors de la fabrica- tion de la bière mais l’amidon contenu dans ces grains d’orge n’est à l’état brut, ni soluble dans l’eau, ni fermentiscible. Pour cela, l’orge est donc transformée en malt d’orge (appelé malt tout simplement par abus de langage). Plus la température de séchage augmente, plus le malt devient caramélisé voire foncé. En continuant d’augmenter la température, le grain d’orge peut être torréfié comme le café pour obtenir un malt noir. L’opération de maltage est également nécessaire pour le froment (blé), indispen- sable au brassage des bières dites "blanches". Selon le type de bière qu’il désire fabriquer, le brasseur choisira différents malts. – LE BRASSAGE - Le but du brassage est d’obtenir à partir des matières premières (eau, malt et hou- blon) un jus sucré et aromatisé, appelé moût. Nous étudierons cette opération plus en détail par la suite. – LA FERMENTATION - Le maltage a permis de faciliter l’extraction de l’amidon contenu dans l’orge pour l’opération de brassage. L’amidon a ainsi été transformé en sucres fermentiscibles et le moût a 2    été stérilisé et additionné de houblons. La dernière étape, la fermentation permet alors par addition de levures, de transformer les sucres présents dans le moût en alcool et en CO . Une fois fermentée, la2 bière peut être conditionnée en bouteilles ou en fûts. MALT MALT MALT MALT PILSEN MUNICH CHOCOLAT DE FROMENT MO−AGIT EAU CHAUDE VA−PILS VA−MUN VA−CHO VA−FRO VA−EAU CONCASSEUR MO−CONCHOUBLON AMERISANT HOUBLON CUVE D’EMPATAGEAROMATIQUE PMP−MALT VA−AMER VA−AROM VA−EMP VA empat−vide PMP−MAISH va2va1 CUVE D’EBULLITION temp−ebul CUVE FILTRE VA−EBUL VA−FILebul−vide filt−vide PMP−MOUT PMP−FILvers la cuve de fermentation FIG. 1: Schéma du processus de brassage de la bière Dans ce cahier des charges, nous allons principalement nous intéresser à l’opération de brassage. De nouveau, ce cycle comporte trois tâches différentes : – le concassage et l’empâtage, – la filtration, – l’ébulition. Le schéma de la figure 1 (figure agrandie à la fin de l’énoncé) permet d’appréhender les différentes étapes du brassage : – Concassage et empâtage - Avant d’être utilisés lors du brassage, les grains de malt doivent d’abord être grossièrement concassés pour faciliter l’extraction de l’amidon qu’ils contiennent. Selon le type de bière désiré, nous pouvons utiliser plusieurs sortes de malt et même d’autres céréales (froment, maïs, riz, etc.). Le malt concassé est mélangé à de l’eau chaude dans la cuve d’empâtage et est ensuite brassé et chauffé à des températures précises, durant des périodes de temps prédéterminées, afin de permettre une transformation complète de l’amidon du malt et des céréales utilisées en sucres. Nous obtenons ainsi un jus sucré ayant déjà la couleur de la future bière, la maische. – Filtration - L’opération précédente a permis d’obtenir au final un jus sucré mélangé aux restes de malt. L’ensemble de la cuve d’empatâge est alors vidé dans une cuve filtre qui permet de retenir les drêches (les résidus d’écorces de malt) et de laisser passer le jus sucré dans le fond de la cuve. Les écorces de malt s’accumulent au niveau du filtre et forment au fur et à mesure une nouvelle couche filtrante à travers laquelle est retenue de fines particules. Généralement, le jus récupéré en dessous est 3 reversé à nouveau sur cette couche filtrante pour en ressortir mieux filtré et plus clair que la première fois. Le jus, appelé moût, est ensuite transvasé dans la cuve d’ébullition pour la dernière opération. – Ebullition - Le moût est alors porté à ébullition pendant une heure ou deux, pour le stériliser, le concentrer et détruire les derniers éléments encore actifs. C’est également à ce moment que nous ajoutons le houblon pour donner l’amertume et l’arôme désiré à la bière. Certains houblons ont des propriétés amérisantes et sont ajoutés en début d’ébullition. D’autres, appelés houblons arômatiques, sont ajoutés à la fin de la cuisson. Le moût passe ensuite dans un échangeur thermique pour que sa température en sortie corresponde aux levures utilisées pour la fermentation (entre 6 et 25 degrés). Analyse détaillée du brassage d’une bière de type "Dunkel Weissen" Après avoir vu le principe de brassage d’une bière, nous allons nous intéresser à la réalisation d’une bière de type allemande appelée "Dunkel Weissen". Sa spécificité est d’être une bière de type "blanche" mais noire... par l’utilisation de malt torréfié. Pour le brassage de cette bière, nous allons utiliser du malt Pilsen comme base de la composition de la bière ainsi que du malt de froment pour qualifier la bière de "blanche". Le rajout du malt Munich permet d’apporter des arômes de biscuit, de caramel et le malt Chocolat donnera la couleur à la bière ainsi que des arômes de café. Matières premières Informations données au processus Malt Pilsen vol pils Malt Munich vol mun Malt Chocolat vol cho Malt de froment vol fro Houblon amérisant vol amer arômatique vol arom Ces quantités, comme les différents volumes d’eau nécessaires sont rentrés manuellement par le bras- seur. Le processus détaillé du brassage est alors le suivant : – Concassage et empâtage - Le moteur du concasseur MO CONC et l’agitateur de la cuve d’em- pâtageMO AGIT sont mis en route, ainsi que la pompePMP MALT qui permet d’achemi- ner le malt une fois concassé vers la cuve d’empâtage. Après une temporisation de 2 secondes, les vannes des différents silos à malt et à eau chaude s’ouvrent en même temps et se ferment lorsque le volume correspondant est atteint pour chacune des matières premières. L’ouverture ou la fermeture des vannes permettant l’alimentation en maltVA PILS,VA MUN,VA CHO etVA FRO et en eau VA EAU sont réalisées par des vérins simple effet. Chaque quantité de malt et d’eau correspond à un volume donné par le brasseur avant le lancement du cycle (VA PILS ouvert jusqu’à ce que le volume vol pils soit atteint, VA EAU jusqu’à ce que le volume vol eau soit atteint, etc...). Une fois tous les volumes atteints, nous attendons 3 minutes avant d’arrêter le concasseur (MO CONC) et la pompe à malt (PMP MALT ). Après 30 minutes, la tempé- rature de la cuve d’empâtage est augmentée (cette action n’est pas à gérer dans le cadre de notre étude, juste à indiquer à l’aide d’un commentaire lié à une étape). Nous attendons de nouveau 60 minutes avant d’ouvrir et de laisser ouvert la vanne VA EMP située au bas de la cuve d’empâ- tage qui permet de vider la cuve. Nous actionnons en même temps la pompe PMP MAISH permettant de vider la cuve d’empâtage. Lorsque la cuve est vide (capteur empat vide), nous arrêtons l’agitateur de la cuve (MO AGIT ) et nous ajoutons un deuxième volume d’eau pour le rinçage de la cuve (vol rinc) via la vanne VA EAU de la cuve d’eau chaude. Lorsque la cuve est de nouveau vide, la pompe de vidange de la cuvePMP MAISH est arrêtée et la vanne VA EMP est fermée. Nous positionnons alors un bitemp à la valeur 1 afin de signaler la fin de la séquence "concassage et empâtage". 4 – Filtration - Pour la filtration, il faut initialement que la vanne bistable VA (vanne dirigeant le +liquide vers la cuve filtre VA = 1, vanne dirigée dans l’autre sens VA = 1) soit positionnée de manière à ce que le liquide aille dans la cuve filtre (capteur va1 validé). Nous ouvrons alors la vanne située au fond de la cuve filtre VA FIL permettant sa vidange et nous actionnons la pompe associéePMP FIL. Le liquide fait alors une recirculation pour mieux le filtrer. Lorsque le brasseur considère que la filtration est suffisante, il appuie sur le boutonop brass qui va modifier l’orientation de la vanne VA. Le liquide est donc évacué vers la cuve d’ébullition. Une fois que la cuve filtre est vide (capteur filt vide), nous attendons deux minutes pour arrêter la pompe PMP FIL et refermer la vanne de vidangeVA FIL de la cuve filtre. Nous positionnons alors un bitfilt à la valeur 1 afin de signaler la fin de la séquence "filtration". – Ebullition - Le liquide arrivant dans la cuve d’ébullition est à une température de 60 degrés environ et il faut donc le chauffer pour atteindre la température d’ébullition. Une sonde à l’intérieur de la cuve permet de savoir si cette température est atteinte (temp ebul = 1) ou non (temp ebul = 0). Une fois la séquence "ébullition" lancée, nous chauffons le liquide par l’action CHAUFFE. Une fois la température d’ébullition obtenue, nous ouvrons la vanne VA AMER afin d’ajouter un volume vol amer de houblon amérisant. Quarante-cinq minutes après, nous ajoutons le volume vol arom du deuxième houblon, dit arômatique, par l’ouverture de la vanne VA AROM (les vannes VA AMER et VA AROM fonctionnent de la même manière que les vannes pour le malt). Nous attendons alors quinze minutes. Durant toute cette prériode (depuis l’ajout du houblon amérisant), le liquide doit être remis à chauffer (CHAUFFE) si la sonde détecte une température inférieure à celle d’ébullition (temp ebul = 0). Une fois les quinze minutes écoulées, nous ouvrons la vanne située au fond de la cuve d’ébullition (VA EBUL) et nous actionnons la pompe PMP MOUT . Le liquide, désormais appelé moût, est envoyé vers un échangeur thermique avant sa fermentation. Lorsque la cuve est vide (capteur ebul vide), la pompe est arrêtée et la vanne est refermée. Nous positionnons alors un bitebul à la valeur 1 afin de signaler la fin de la séquence "ébullition". Cycle de fonctionnement : Le lancement du processus de brassage s’effectue en appuyant sur un bouton poussoir m (l’opérateur a préalablement indiqué les différentes valeurs pour la recette). Les cycles "concassage et empâtage", "filtration" et "ébullition" sont alors lancés les uns après les autres, une fois le cycle précédent terminé. Nous allons donc réaliser le grafcet du brassage à l’aide de 3 sous-grafcets : – le sous-gracet "Concassage et empâtage" – le sous-grafcet "Filtration" – le "Ebullition" 5 Le tableau ci-dessous résume l’ensemble des actions identifiable sur la figure 1 : Référence Description VA PILS Ouverture de la vanne du malt de type Pilsen VA MUN Ouverture de la vanne du malt de type Munich VA CHO Ouverture de la vanne du malt de type Chocolat VA FRO Ouverture de la vanne du malt de froment MO CONC Commande du moteur du concasseur PMP MALT de la pompe permettant d’acheminer le malt dans la cuve d’empâtage VA EAU Ouverture de la vanne du réservoir d’eau chaude MO AGIT Commande du moteur de l’agitateur de la cuve d’empâtage VA EMP de la vanne de vidange de la cuve PMP MAISH Commande de la pompe permettant de vider la cuve d’empâtage vers la cuve filtre VA FIL de la vanne de vidange de la cuve filtre PMP FIL Commande de la pompe permettant de vider la cuve filtre +VA de la vanne au liquide d’aller vers la cuve filtre VA Commande de la vanne permettant au vers la cuve d’ébullition VA AMER Ouverture de la vanne du houblon amérisant VA AROM Ouverture de la vanne du arômatique CHAUFFE Commande du chauffage de la cuve d’ébullition VA EBUL de la vanne de vidange de la cuve d’ébullition PMP MOUT Commande de la pompe permettant de vider la cuve d’ébullition Le tableau ci-dessous résume l’ensemble des informations données par le processus ou les opérateurs : Référence Description vol pils Volume de malt de type Pilsen vol mun Volume de malt de type Munich vol cho Volume de malt de type Chocolat vol fro Volume de malt de froment vol eau Volume d’eau pour l’empâtage empat vide Signal indiquant que la cuve d’empâtage est vide vol rinc Volume d’eau pour le rinçage de la cuve d’empâtage op brass Signal donné par le brasseur indiquant une filtration suffisante filt vide indiquant que la cuve d’empâtage est vide va1 Capteur de position de la vanneVA va2 de de la vanneVA temp ebul Signal indiquant que la température d’ébullition est atteinte vol amer Volume de houblon amérisant ebul vide Signal indiquant que la cuve d’ébullition est vide m Bouton de lancement emp Bit indiquant la fin du cycle "concassage et empâtage" filt Bit la fin du cycle "filtration" ebul Bit indiquant la fin du cycle "ébullition" 6 Question 1. A partir du cycle de fonctionnement, écrire le grafcet de synchronisation correspon- dant à ce cahier des charges. Question 2. Donner les équations du grafcet précédent à l’aide de bascules RS. Question 3. Réaliser le sous-grafcet "Concassage et empâtage". Question 4. Réaliser le de la séquence "Filtration". Question 5. Traduire le sous-grafcet de la séquence "Filtration" en langage littéral Question 6. Réaliser le de la séquence "Ebullition". Afin de gagner du temps, certaines brasseries élaborent deux brassages successifs. Ainsi, lorsque le premier brassage est en phase d’ébullition, un nouveau brassage peut être lancé dans la cuve d’empâtage. Afin de savoir combien d’empâtage ont été fait ou combien sont en cours, nous définissons une variable nb brass, initialisée à 0. Cette variable doit être incrémentée à l’étape adéquate et sa valeur permet d’orienter l’évolution du grafcet. Question 7. A partir du schéma du grafcet de synchronisation vide de la figure 2, complétez ce grafcet pour permettre la synchronisation d’un deuxième empâtage durant la phase d’ébul- lition du premier brassage. RAPPELS La table de vérité du fonctionnement de la bas- La table de vérité du fonctionnement de la bas- cule JK est la suivante : cule D est la suivante : J K Q D Q n+1 n+1 0 0 Q 0 0n 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Q n 7 0 1 2 5 3 4 FIG. 2: Grafcet de synchronisation 8    FIG. 3: Schéma du processus de brassage de la bière 9 MALT MALT MALT MALT PILSEN MUNICH CHOCOLAT DE FROMENT MO−AGIT EAU CHAUDE VA−PILS VA−MUN VA−CHO VA−FRO VA−EAU CONCASSEUR MO−CONC HOUBLON AMERISANT HOUBLON CUVE D’EMPATAGE AROMATIQUE PMP−MALT VA−AMER VA−AROM VA−EMP VA empat−vide PMP−MAISH va2 va1 CUVE D’EBULLITION temp−ebul CUVE FILTRE VA−EBUL VA−FIL ebul−vide filt−vide PMP−MOUT PMP−FIL vers la cuve de fermentation
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