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Automatique 2004 Tronc commun Hautes Etudes d'Ingénieur (Lille)

9 pages
Examen du Supérieur Hautes Etudes d'Ingénieur (Lille). Sujet de Automatique 2004. Retrouvez le corrigé Automatique 2004 sur Bankexam.fr.
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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.
12 . 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
2été 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
3reversé 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"
5Le 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"
6Question 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
70
1
2
5 3
4
FIG. 2: Grafcet de synchronisation
8FIG. 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