CHAPITRE 3 : DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU NOUVEAU SYSTEME
3.3 Fiche technique du système
L’automatisation du système implique l’élaboration du GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etapes Transition) qui est un outil de description des automatismes. Cet outil se représente à trois différents niveaux à savoir :
Le GRAFCET du point de vue système ;
Figure 3.1 : Schéma représentatif du nouveau système
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Le GRAFCET du point de vue partie opérative (grafcet de niveau I) ;
Le GRAFCET du point de vue partie commande (grafcet de niveau II).
En ce qui concerne notre nouveau système, les voici représentés respectivement ci-dessous :
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GRAFCET du point de vue opérative (NIVEAU I)
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t1/ 5/ So. Pc
t1/ 5/ So. Pc
4 2
3
5 1
co
bo
Dcy.S0
0 Mise en référence
ao
do
KM 1
X -
X+
KM 2
Ho T1= 30s V0
V0
V0
V0
V0
GRAFCET du point de vue commande (NIVEAU II)
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Après avoir décrit les trois types de grafcets correspondant à notre système, nous avons transcrit le grafcet de niveau II par les équations suivantes :
Equations des sorties : Equations des étapes KM1 = x1 .km2 x0 = x5.t1.s0 + x0.x1
KM 2 =x4. Km1 x1 = x0.Dcy.s0 + x5.t1.s0 + x1.x2 V-= x2 x2 = x1.a0 + x2.x3
V+= x3 x3 = x2.b0 + x3.x4
H0 = x5 x4 = x3.c0 +x4.x5
T1 = x5 x5 = x4.d0 + x5.x1.x0 V0 =x1+ x2 + x3 + x4 + x5
Légende:KM1 : Contacteur moteur pour le sens 1
KM 2 : Contacteur moteur pour le sens 2 V- : Rentrer tige du vérin
V+ : Sortir tige du vérin Pc : Présence camion Pc : Absence camion
Le circuit de puissance est un circuit dans lequel nous avons certains appareils à savoir :
- un sectionneur à fusible ; - des contacteurs de lignes ; - un relais thermique ;
- un relais magnétique ;
- un moteur asynchrone triphasé.
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Le circuit de commande est un circuit dans lequel figure deux équations qui sont transcrites par des fonctions logiques (ET ; OU). Ces équations sont les deux types énumérés ci-dessus.
X5
Rapport de fin de Formation en Licence Professionnelle/Maintenance Industrielle-EPAC/CAP-2014 d'exécution des machines soient différentes de celles des moteurs normalisés.
Les moteurs normalisés courants sont animés d’uùn mouvement de rotation uniforme ; or, il arrive souvent que les mouvements des organes d'exécution des machines soient rectilignes et s’effectuent à des vitesses variables ou même des arrêts périodiques.
Ce bloc d’entrainement est composé d’une part d’un mécanisme d’engrenage muni d’un moteur asynchrone triphasé permettant de transmettre un mouvement de translation vertical d’une tige métallique pour la descente et la remontée du capteur.
Nous utiliserons plutôt des câbles enroulées autour d’une poulie dont la mise en rotation par un moteur électrique permettra de faire descendre le capteur capacitif dans la benne des camions.
4.1.1 Etude et choix du moteur asynchrone triphasé
La mise en rotation d’éléments des machines est fréquemment réalisée par des moteurs électriques. La fonction d’un moteur électrique est de transformer, ou de convertir, une puissance électrique fournie en une puissance mécanique caractérisée par un couple moteur C et une vitesse angulaire (ou une fréquence de rotation n). Les moteurs asynchrones sont les plus utilisés. Le rotor, en tôles magnétiques isolées, comporte des encoches, dans lesquelles sont logés des conducteurs en cuivre ou en aluminium. Un champ magnétique tournant, créé par les trois bobinages du stator donne naissance dans les
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conducteurs du rotor à des courants induits. Le rotor est ainsi soumis à un couple moteur M dont le sens est donné par la loi de Lenz. Le rotor tourne moins vite que le champ tournant du stator, on dit que le rotor « glisse ». Il en résulte que la fréquence de rotation n est légèrement inférieure à la fréquence de synchronisme ns (glissement g= (ns –n)/ns).
4.1.1.1 Choix des grandeurs d’entrée et calcul des grandeurs de sortie *Grandeurs d’entrée :
Moteur asynchrone LS100L (guide « Leroy-Somer ») ;
Puissance électrique absorbée : Pm =3000 W ;
Tension d’entrée : U= 230 /400 V ;
Fréquence du réseau : f= 50Hz ;
Fréquence de rotation nominale : nm =1500trs/min.
*Grandeurs de sortie : à sa faible sollicitation et de minimiser la fragilisation de la partie conique de la trémie sur laquelle sera fixé le moteur.
Le moteur choisi ne permet pas d’obtenir Nu = 60 tr/min. Donc il nous faut choisir un réducteur capable de réduire parfaitement le régime moteur.
Soit Rglo le rapport global de réduction de ce réducteur.
Rglo = nu /nm (4.1) Rglo = 60/1500
Rglo = 0.04
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Ainsi, nous allons choisir dans le guide un réducteur de facteur de réduction Rglo = 4%.
L’ouverture et la fermeture des trappes de la trémie sont assurées par un vérin de type pneumatique.
4.1.2 Dimensionnement et choix du vérin pneumatique
Les vérins sont des appareils que l’on place sous des charges pour les soulever sur une faible course ou les soutenir. Les vérins sont des composants actifs qui transforment l’énergie du fluide en énergie mécanique. Par exemple on les utilise pour : le positionnement des pièces, le serrage de pièces, le déplacement et le maintien des charges, l’ouverture et la fermeture des trappes, etc. Ils sont munis d’un piston avec une tige qui se déplace librement à l’intérieur d’un tube. En fonction du type, ils ont un ou deux orifices permettant l’admission ou l’échappement de l’air. La longueur du mouvement définit la course du vérin, le diamètre est lié à la force à exécuter au cours du mouvement.
Les vérins pneumatiques utilisent l’air comprimé, de 2 à 10 bars en usage courant. Du fait de la simplicité de leur mise en œuvre, ils sont très nombreux dans les systèmes automatisés industriels.
4.1.2.1 Constitution d'un vérin pneumatique
Quel que soit le vérin (voir figure 4.1), son type et son constructeur, il sera constitué des mêmes éléments. Le piston est solidaire de la tige qui peut se déplacer à l'intérieur du corps. Le corps est délimité par le nez et le fond dans lesquels sont aménagés des orifices d'alimentation en air comprimé. Les espaces vides qui peuvent être remplis d'air comprimé s'appelle les chambres.
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Figure 4.1 : Vérin pneumatique 4.1.2.2 Dimensionnement du vérin pneumatique
Le vérin est déterminé du point de vue dimensionnel par :
Sa course (C) : elle est imposée par la longueur du déplacement à obtenir ;
Le diamètre du piston (D), déterminé par les charges à vaincre ;
Le diamètre (d) de la tige, elle doit résister à la flexion et/ou au flambage.
Pour le dimensionnement d’un vérin, nous devons considérer trois cas de figure :
Le diamètre du vérin est déterminé par rapport à la charge à vaincre et à la pression du réseau ;
Le diamètre du vérin est déterminé par sa capacité d’amortissement (pour le cas d’un déplacement horizontal d’une masse importante, l’effort à vaincre n’est pas important, mais il faut amortir l’énergie cinétique en fin de course) ;
La tige du vérin est soumise à la flexion ou au flambage.
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Ne disposant pas de données relatives à l’amortissement, nous nous intéresserons au dimensionnement du vérin par rapport à la charge à vaincre et à la pression du réseau, puis nous ferons un calcul de vérification de la résistance de sa tige au flambage.
La poussée F développée par un vérin de section S sous une pression p est : F = p x S (4.2) Où :
p : pression de travail du réseau (Pa)
S : l’aire de la section sur laquelle la pression est appliquée (mm2) Hypothèses
A la sortie de la tige, le vérin doit pouvoir résister à l’effort de la trappe en vue d’une ouverture optimale de cette dernière. A l’entrée de la tige, le vérin doit pouvoir déployer un effort pouvant atteindre 500 N, afin d’assurer la fermeture de la trappe, compte tenu de la diversité des produits manutentionnés.
Il ressort de ces hypothèses que le vérin assure l’ouverture et la fermeture des trappes solidaires à la cuve.
Nous allons donc considérer le cas où le vérin travaille en assurant l’arrêt d’écoulement de la matière par la fermeture de la trappe, puisque à la sortie de la tige, l’effort déployé est moins important que celui déployé à l’entrée.
Par ailleurs, vu qu’un seul homme est capable d’assurer manuellement (avec sa force physique) l’ouverture et la fermeture des trappes, pour les vérins pneumatiques, la valeur de la pression de travail sera fixée à 0,5 MPa (5 bars).
La section minimale du piston et son diamètre minimal D peuvent être déterminés par la relation:
(4.3) Soit :
√ (4.4)
Rapport de fin de Formation en Licence Professionnelle/Maintenance Industrielle-EPAC/CAP-2014 vérin selon l’abaque sur les vérins. (Voir annexe)
Nous portons notre choix sur le vérin de diamètre du piston D = 40mm et de diamètre de tige d=28 mm. Dans la gamme de course recommandée, nous choisissons la course de 400 mm.
4.1.2.3 Détermination du diamètre de la tige du vérin par rapport à sa résistance
La tige d’un vérin à longue course se comporte comme une poutre sollicitée en flambage sous l’effort axial
Le risque de rupture dépend essentiellement :
du diamètre de la tige ;
de l’importance des jeux internes (tige/embout de cylindre ; piston/cylindre) ;
de la nature de la fixation du vérin et de la liaison entre la tige et la charge.
La théorie d’Euler permet de dimensionner le diamètre de la tige, même si elle s’avère en général insuffisante. Les valeurs fournies par la théorie d’Euler constituent une première approximation qu’il convient de corriger en tenant compte de la mise en œuvre du vérin dans son environnement.
La charge critique d’Euler correspond à la valeur de l’effort axial maximal Fc au-delà de laquelle il y a risque de flambage qui entraîne une déformation irréversible de la tige du vérin.
Un calcul de résistance des matériaux conduit à :
(4.5) Avec :
E : le module de Young du matériau de la tige (acier : E=210 GPa) I : le moment quadratique de la section droite de la tige
La tige de diamètre d est de section pleine donc :
(4.6) lc : la longueur de flambage telle que :
lc= k.L
k est un coefficient appelé facteur de course, fonction du mode de fixation (voir annexe)
L : la longueur de flambage du vérin est égale à la course effectuée par la tige du vérin.
Le corps du vérin sera fixé par bride arrière, on suppose qu’il est supporté non guidé ; ce qui donne d’après l’annexe, k=4.
Nous calculons la longueur de flambage lc lc= 4x400 = 1600mm = 1,6m
La condition de tenue au flambage s’écrit :
(4.7) Où est un coefficient de sécurité.
Nous obtenons pour le diamètre:
√
(4.8) En prenant =3
√
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Nous concluons que le vérin résistera parfaitement au flambage puisque le diamètre de sa tige est de 28 mm. Une récapitulation est faite pour mieux faire le choix du vérin qu’il faut à notre système.
Diamètre de piston : 40mm, Diamètre de tige : 28mm, Course : 400mm.
D’après nos calculs, notre choix se porte sur un vérin à double effet (VDE).
Un vérin à double effet est l’ensemble tige-piston qui peut se déplacer dans les deux sens sous l’action du fluide sous pression (air comprimé). L’effort en poussant (sortie de la tige) est légèrement plus grand que l’effort en tirant (entrée de la tige) car la pression n’agit pas sur la partie de surface occupée par la tige. Le piston peut se déplacer librement dans le corps lorsqu'il est poussé par l'air comprimé. En l'absence d'air comprimé, il reste en position (tige rentrée ou sortie). Ils permettent un réglage plus aisé de la vitesse de la tige par contrôle du débit à l’échappement. L’amortissement est possible dans les deux sens. Pour un vérin à double effet, il faut lui envoyer alternativement de l'air de chaque côté pour obtenir un aller et un retour.
4.1.2.4 Choix du distributeur adapté au système
Les distributeurs (voir figure4.2) sont des composants actifs qui distribuent l’énergie reçue de la pompe aux récepteurs. Ce sont des soupapes ou valves destinées à orienter la circulation du fluide sous pression dans une ou plusieurs directions. Ils sont utilisés pour commuter et contrôler le débit du fluide sous pression, à la réception d’un signal de commande qui peut être mécanique, électrique ou pneumatique. Ils permettent :
de contrôler le mouvement de la tige d’un vérin ou la rotation d’un moteur hydraulique ou pneumatique (distributeurs de puissance) ;
d’exécuter, à partir d’un fluide, des fonctions logiques (fonctions ET, OU, mémoire, etc.) ;
de démarrer ou d’arrêter la circulation d’un fluide (robinet d’arrêt, bloqueur, …) ;
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Figure 4.2 : Deux différents types de distributeurs 4/2 et 5/2
Les paramètres à prendre en compte pour le choix du distributeur sont les suivants :
- Pression d’alimentation (relative) ; - Diamètre du vérin ;
- Course c ;
- Temps de course t ;
- Taux de charge du vérin T.
Au vu de ces paramètres, nous avons porté notre choix sur le distributeur bistable 5/2, pouvant alimenter soit la chambre avant du vérin, soit la chambre arrière. Il comporte donc deux orifices sur lesquels il faut alterner les états de pression et d’échappement. Ce distributeur pneumatique est le pré actionneur privilégié de cet actionneur pneumatique (vérins). A chaque type d'actionneur correspond un distributeur pneumatique que l'on caractérise par :
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son dispositif de commande (mécanique, électrique ou pneumatique)
sa stabilité (monostable ou bistable)
4.1.2.5 Principe de fonctionnement du distributeur 5/2 avec le vérin double effet
Figure 4.3 : Fonctionnement du distributeur 5/2 Dans la position repos de la figure 4.3 ci-dessus, le tiroir permet :
de canaliser l’air comprimé issu de l’orifice 1 vers 2 : la voie 1-2 est alimentée ;
de canaliser l’air issu de l’orifice 4 vers l’orifice 5 à l’atmosphère : la voie 4-5 est à l’échappement.
Dans la position travail de la figure 4.3 ci-dessus, le tiroir permet également :
de canaliser l’air comprimé issu de l’orifice 1 vers l’orifice 4 : la voie 1-4 est alimentée ;
de canaliser l’air issu de l’orifice 2 vers l’orifice 3 à l’atmosphère : la voie 2-3 est à l’échappement.
Le déplacement du tiroir est obtenu par l’apparition des ordres issus de la partie commande. Dans ce cas ces ordres sont pneumatiques. Ces ordres sont appelés « signaux de pilotage ». Ils parviennent :
à l’orifice de pilotage 12 pour l’alimentation de la voie 1-2 et l’échappement de la voie 4-5
à l’orifice de pilotage 14 pour l’alimentation de la voie 1-4 et l’échappement de la voie 2-3.
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4.2 Bloc de détection
Ce bloc, comme son nom l’indique, regroupe essentiellement des détecteurs qui interagissent dans notre système. Il se compose d’un détecteur de position ou interrupteur de position, d’un détecteur de proximité capacitif, d’un détecteur de proximité inductif et d’un détecteur photoélectrique.
4.2.1 Rôle d’un détecteur
La fonction essentielle des détecteurs consiste à renseigner l’unité de traitement d’un équipement d’automatisme sur l’état de la machine ou de l’installation, sur la présence ou l’absence de produits en cours d’élaboration ou de transfert. Ces appareillages jouent un rôle prépondérant dans le déroulement des processus en fournissant des informations "tout ou rien" à des points fixes prédéterminés.
4.2.2 Les différentes familles de détecteurs de présence Il existe différentes familles de détecteurs de présence :
les détecteurs photoélectriques, pour détecter des objets situés de 1/10 de mm jusqu’à plusieurs dizaines de mètres,
les détecteurs de proximité inductifs, pour détecter du métal sans contact physique et à faible distance,
les interrupteurs de position, actionnés par contact direct avec des objets.
les détecteurs de proximité capacitifs, pour détecter des objets conducteurs ou isolants sans contact physique et à faible distance,
les détecteurs à ultrasons pour détecter tout objet en s’affranchissant de sa couleur, de son opacité, de sa nature (poudre, verre, liquide, etc.), sans contact physique,
les détecteurs pressostats ou vacuostats, pour détecter un niveau de pression.
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Les détecteurs photoélectriques, les détecteurs de proximité inductifs, capacitifs et les interrupteurs de position sont les détecteurs de présence qui feront l’objet de notre étude.
4.2.3 Démarche de choix d’un détecteur Le choix proposé s'établit en deux temps :
Phase 1 : détermination de la famille de détecteurs adaptée à l'application.
L'identi※cation de la famille recherchée s'effectue par un jeu de questions/réponses chronologiques :
nature de l'objet à détecter : solide, liquide, gazeux, métallique ou non ;
contact possible avec l'objet ;
distance objet/détecteur ;
masse de l'objet ;
vitesse de déliement ;
cadences de manœuvre ;
espace d'intégration du détecteur dans la machine.
L'organigramme (voir annexe) de choix illustre cette démarche qui conduit à faire la sélection d'une famille des détecteurs sur la base des critères simples.
Phase 2 : détermination du type de détecteur recherché Cette deuxième phase tient compte :
de l'environnement : température, humidité, poussières, projections diverses, etc ;
de la source d'alimentation : alternative ou continue ;
du signal de sortie : électromécanique, statique ;
du type de raccordement : câble, bornier, connecteur.
4.2.4 Dimensionnement et choix de proximité du détecteur capacitif
Les détecteurs de proximité capacitif ont pour fonction essentielle de renseigner un équipement automatique, en fournissant des informations "Tout ou Rien" prélevées en certains points de la chaîne de fabrication. Le produit entraîne une variation de capacité qui sera convertie dans le détecteur en signal de commutation. La construction très robuste des sondes permet une application dans des produits très abrasifs. Jusqu'à un passé récent, la détection de niveau dans les solides en vrac était souvent réalisée à l'aide de détecteurs à palette rotative. Toutefois, ces appareils sont soumis à une usure mécanique et leur fonction d'auto surveillance est très limitée. Les détecteurs de niveau vibrants offrent ici des performances supérieures. En effet, en plus d'un prix avantageux, ils ne nécessitent aucun entretien. Ils garantissent une sécurité parfaite durant le remplissage et stockage par une détection à très haute fiabilité des seuils haut/bas dans les silos ou trémies. Pour la détection de niveau haut/bas dans les produits floconneux, pulvérulents, sablonneux ou de plus grosses granulométries telles que clinker ou gravier, le choix du détecteur dépend alors des conditions d'application. Pour ce faire, on tient compte de critères tels que: le colmatage du produit ; risque de coincement du produit entre les lames (grosses granulométries) ; détecteur sans usure pour les matières abrasives.
4.2.5 Dimensionnement et choix de l’interrupteur de position
Les interrupteurs de position représentés sur la figure 4.4 ont pour rôle la détection de présence ou de passage dans les équipements d'automatismes. Ils sont utilisés dans des applications très variées en raison de leurs nombreuses qualités : sécurité de fonctionnement, grande précision, immunité naturelle aux perturbations électromagnétiques, convivialité (mise en œuvre simple, fonctionnement "visible").
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Figure 4.4 : différents types d’interrupteur de position 4.2.6 Constitution d’un interrupteur de position
Les interrupteurs de position sont constitués à partir des trois éléments de base suivants :
un contact électrique ;
un corps ;
une tête de commande avec son dispositif d'attaque.
La plupart de ces appareils sont composables à partir de différents modèles de corps équipés de contacts électriques, de tête de commande et de dispositif d'attaque. Cette modularité facilite grandement la maintenance par un échange aisé de l'un des éléments.
4.2.7 Choix de l’interrupteur de positioù8n adapté au système
Comme indiqué dans le fonctionnement de notre système, l’interrupteur
Comme indiqué dans le fonctionnement de notre système, l’interrupteur