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Sciences Industrielles - Lycée Blaise Pascal - ORSAY - PCSI - 2021/2022
L’ETUDE DES SYSTEMES TECHNIQUES INDUSTRIELS
I - Introduction. Notion de système.
Jusqu’au milieu du XIXe siècle, la production des objets techniques reste l’apanage de l’artisanat, et c’est l’apprentissage qui assure la pérennité des savoirs faire. Avec l’émergence de l’industrie et de la production de masse, la formalisation de savoirs spécifiquement technologiques apparaît.
La création de l’AFNOR ( Agence française de normalisation ) en 1926 montre l’importance de la communication dans le domaine industriel après la Première Guerre mondiale. Cependant, jusque dans les années 1960, la créativité technologique reste tributaire de la culture d’entreprise.
La généralisation de l’informatique, seule capable d’assurer la gestion d’énormes quantités de données, permet la création de produits complexes, appelés systèmes techniques industriels. La conception de ces systèmes, la gestion de leur complexité et de leur interdisciplinarité devient une activité scientifique à part entière, appelée Ingénierie système, et impose l’utilisation d’outils précis, adaptés et performants.
Exemple : Une automobile moderne est un exemple significatif de complexité et d’interdisciplinarité. Système en tant que tel, elle est elle même constituée de nombreux sous ensembles complexes. Certains d’entre eux ont fait l’objet de sujets de concours par le passé. Citons :
- Un système de transmission de puissance (moteur, embrayage CCP 06, boite de
vitesses X-ENS 03, différentiel, joints de transmission)
- Un système de freinage CCP 98 - Un système de suspension X 00 - Un système de direction CCP 04
- Un système de climatisation X-ENS 99 …
Ces systèmes sont liés par le fait qu’ils peuvent partager leurs alimentations électrique ou hydraulique, mais aussi qu’une fonction du véhicule peut faire intervenir plusieurs de ces systèmes en même temps ( Le contrôle de trajectoire (ESP) agit sur le système de freinage et peut aussi agir sur le système de suspension, de direction, de transmission de puissance )
1 - Définition d’un système.
Un système est un ensemble organisé d’éléments reliés les uns avec les autres, de façon à former une entité en relation avec son environnement, dans le but de remplir une ou plusieurs fonctions. ( Exemples : système nerveux, système éducatif...).
2 Dans le cadre de l’enseignement de S.I., on ne s’intéressera qu’aux systèmes techniques industriels.
Dans un système, il ne suffit pas de connaître tous les éléments du système pour connaître le système. Il faut aussi appréhender les relations entre les composants afin de déterminer le fonctionnement global du tout.
Trois idées fortes sont donc à la base d’un système : - Les composants d’un système (éléments) - Les relations entre les composants (organisation)
- Les fonctions réalisées par le système (comportement avec le milieu extérieur)
2 - Frontière d’un système.
C’est une limite fictive qui permet d’isoler le système considéré de son environnement (milieu extérieur). La mise en place de cette frontière est primordiale pour la modélisation du système.
Dès lors, on peut définir précisément : - la ou les fonctions du système,
- les propriétés internes (constituants, les réseaux d’énergie et d’information, ..), - les entrées/sorties.
3 - Entrées et sorties d’un système. Matière d’œuvre.
Parmi les échanges du système avec l’extérieur, on distingue : - les flux dirigés vers le système : entrées - les flux provenant du système : sorties Les flux échangés peuvent être : - des flux de matière,
- des flux d’énergie, - des flux d’information.
Un système modifie de la matière d’œuvre (en général pour nous de la matière, mais aussi quelquefois de l’énergie ou de l’information) en se servant de l’énergie. La manière pour le faire est donnée par l’information.
4 - Fonction globale d’un système. Valeur ajoutée.
Un système agit dans un but bien défini. Le but sera défini en terme d’action, c’est à dire par un verbe ( faire... ). Cette action est appelée fonction globale du système.
Un système agit sur de la matière d’œuvre, il lui donne une plus grande valeur, c’est ce qu’on appelle la valeur ajoutée.
La valeur ajoutée consiste à transformer, déplacer ou stocker la matière d’œuvre.
Exemples : - la matière d’œuvre est un matériau : machine à bois automatisée la valeur ajoutée est le façonnage de la planche de bois - la matière d’œuvre est une énergie : usine hydroélectrique
la valeur ajoutée est la facilité de transport, de distribution, d’utilisation - la matière d’œuvre est une information : enregistreur vidéo + téléviseur
l’information codée et stockée dans la mémoire de l'enregistreur est transformée en image et son.
la valeur ajoutée : l’information est rendue perceptible pour l’homme Informations
Matières d’œuvre entrantes
Matières d’œuvre sortantes Informations Energie
SYSTEME
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II - Analyse d’un système technique industriel.
1 - Généralités.
L’étude des systèmes s’appuie sur le triangle de la figure ci-contre. Chronologiquement, cette étude débute par la définition du système souhaité, elle se poursuit par la conception numérique du système simulé, puis, après validation, par le contrôle des écarts entre les performances simulées et les performances attendues. Enfin elle permet, en passant à la réalisation d’obtenir le système réel.
Exemple connu : L’Airbus A380 a été entièrement conçu sous forme de modèle informatique et vendu à des dizaines d’exemplaires avant que le premier prototype ne soit construit et a fortiori essayé en vol.
Une représentation plus détaillée de la vie d’un système est représentée ci-contre par son diagramme en V. On y représente :
1 - Phase justifiant la création du système. Un projet industriel n’a de sens que s’il satisfait un besoin exprimé. Ce besoin, qui justifie le projet, doit être
parfaitement identifié, car de sa pertinence dépend la réussite économique du produit final. A ce niveau, on ne doit pas faire état de solutions techniques, mais exprimer le besoin et rien que le besoin.
2 - Pour s’assurer qu’un produit ou système industriel peut satisfaire totalement le besoin d’un client, exprimé précédemment, il faut s’occuper de l’ensemble des services qu’il doit rendre. La notion de fonction de service apparaît alors, la première d’entre elles ( FS1 ) étant la fonction globale précédemment définie.
Exemple : Véhicule auto balancé de type Segway ® (Centrale Supelec 05)
Ensuite il s’agit d’élaborer un document où l’on définit, pour chacune de ces fonctions de service, le où les critères qui permettront de vérifier si cette fonction de service est assurée.
Pour chaque critère, il convient de définir le niveau attendu ainsi que la tolérance éventuelle sur ce niveau.
Système souhaité Performances attendues
Système réel Performances mesurées Système simulé
Performances simulées
Ecart
Ecart Ecart
Expression du besoin
Cahier des charges Spécifications
et conception du système
Réalisation des éléments
Recette
Intégration du système
Exploitation et maintenance
Modification ou adaptation
Mise au rebut 1
3 4
5
6
7
8 2
Barre d’appui Poignée
directionnelle
Plate forme
FS1 : Permettre au conducteur de se déplacer aisément sur la route
FS2 : Donner au conducteur une sensation de stabilité FS3 : Rester insensible aux perturbations provenant
de la route
FS4 : Rester manœuvrable dans la circulation FS5 : Être peu encombrant
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Exemple : Véhicule auto balancé de type Segway ® Extraits du cahier des charges
Fonction de Service Critère Niveau
Vitesse 0 – 20 km/h
Accélération et décélération en fonctionnement
normal
1,5 m.s-2 minimum
Distance d’arrêt
maximale 3 m à 20 km/h
FS1 : Permettre au
conducteur de se déplacer aisément dans un milieu urbain
Manipulation intuitive
Commande naturelle pour les réflexes humains
… … …
Dérapage Aucun
Basculement Aucun
Vitesse Rayon minimum
5 km/h 0,5 m
10 km/h 2,5 m FS4 :
Rester manœuvrable
dans la circulation Rayon de virage Minimum admissible
20 km/h 10 m
7 - Amélioration du système
8 - Fin de vie du système, avec impact environnemental minimal
Un système industriel peut être appréhendé selon différents aspects que l’on appelle points de vue.
- Le point de vue fonctionnel - Le point de vue structurel
- Le point de vue temporel ou comportemental ( ordre des tâches, flux de produits et d’informations ).
- Le point de vue technique ( dessin industriel des composants ou d’ensembles de composants ).
Mais aussi, bien qu’on les abordera peu : - Le point de vue économique.
- Le point de vue environnemental
De nombreux outils existent pour aborder, sous tel ou tel point de vue, un système. Ces outils, bien que très performants chacun dans leur domaine, sont trop disparates pour donner une vision globale cohérente du système étudié, ce qui rend l’analyse très difficile. C’est pour combler en partie cette lacune, qu’un langage unique, SysML (System Modeling Language), a été développé au début des années 2000.
2 - SysML.
Le langage SysML a pour objectif de formaliser, de manière graphique et indépendante de l’outil logiciel, les spécifications disparates associées à un système technique complexe.
Il permet, entre autres, de spécifier, concevoir, définir et analyser la structure d’un système, identifier les performances, les limites, l’environnement et les relations avec l’extérieur. Il a donc avant tout un objectif de documentation de la modélisation adoptée.
Au travers des neuf diagrammes, listés ci-contre, on est en mesure d’aborder un système complexe sous ses aspects fonctionnel, structurel et comportemental.
Ce document est appelé Cahier des Charges Fonctionnel ( CdCF )
Le CdCF doit être rédigé indépendamment des concepts de solutions envisageables. Il est rédigé par le demandeur et dans le cas où demandeur et fournisseur sont différents il constitue une référence contractuelle entre eux.
3 - Phase permettant d’aboutir au modèle informatique du système, c'est-à-dire le système simulé.
4 - Les constituants du système deviennent réalité.
5 - Phase d’assemblage des composants.
6 - Phase de rentabilité du système
5 Les neuf diagrammes du langage SysML sont composés des mêmes types de formes géométriques : des rectangles à coins droits ou arrondis, des ellipses et des lignes. Selon les diagrammes, tout ou partie de ces formes géométriques seront utilisées.
Plusieurs types de relations peuvent être rencontrées entre les formes géométriques dans les diagrammes SysML : le tableau ci-dessous regroupe les liens les plus classiques.
Remarque : Dans ce premier cours, on ne présente que 5 des 9 diagrammes, ceux au programme de la première période de P.C.S.I.. Ils s’intéressent aux points de vues fonctionnel, structurel et peu au point de vue comportemental. En deuxième période, on s’intéressera plus spécifiquement au point de vue temporel en présentant les diagrammes d’état , de séquence et d’activité.
Exemple d’illustration : Drone pour la prise de vue aérienne
6 2 - 1 - Diagramme des exigences.
Le diagramme des exigences, appelé Requirement Diagram (req) dans le langage SysML, est le seul diagramme transversal du langage SysML. L’objectif de ce diagramme est de modéliser les exigences devant être vérifiées par le système en liant les solutions mises en oeuvre sur le système avec les besoins définis dans le cahier des charges. Ce diagramme traduit, par des fonctionnalités ou des contraintes, ce qui doit être satisfait par le système. De nombreux domaines peuvent être couverts, les plus classiques étant les exigences environnementales, économiques, fonctionnelles ou techniques.
2 - 2 - Diagramme des cas d’utilisation.
Le diagramme des cas d’utilisation est un diagramme comportemental, appelé Use Case Diagram (uc ou ucd) dans le langage SysML. L’objectif de ce diagramme est de montrer les fonctionnalités offertes par un système en identifiant les services qu’il rend : il permet donc de modéliser les exigences selon un point de vue complémentaire à celui exposé par le diagramme des exigences. L’énoncé d’un cas d’utilisation doit se faire hors technologie, puisque il est défini en termes de résultats attendus.
2 - 3 - Diagramme de définition de blocs.
Le diagramme de définition de blocs est un diagramme structurel appelé Block Definition Diagram (bdd) dans le langage SysML. L’objectif de ce diagramme est de décrire le système via des blocs (blocks dans le langage SysML) et représentant des éléments matériels (cas le plus fréquent) mais également des entités abstraites (regroupement logique d’éléments) ou des logiciels. Ce diagramme représente les caractéristiques principales de chaque bloc ainsi que les liens entre eux : il permet donc une modélisation de l’architecture du système.
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2 - 4 - Diagramme de blocs internes.
Le diagramme de blocs internes est un diagramme structurel appelé Internal Block Diagram (ibd) dans le langage SysML. Le diagramme de blocs internes est rattaché à un bloc issu du diagramme de définition de blocs, le cadre du diagramme représentant la frontière d’un bloc. Le diagramme de définition de blocs introduit la notion fondamentale de « port » qui correspond à un point d’interaction avec l’extérieur du bloc. Les connecteurs (traits) entre les ports indiquent soit les associations soit les flux de matière, d’énergie et d’information entre les différents blocs.
Les interconnexions des différents blocs via les ports standard et de flux représentés sur un diagramme de blocs internes renseignent sur les relations entre les blocs : ainsi, par exemple, un port standard noté « cmd » a été utilisé pour commander le sous- système de prise de vue et deux ports de flux ont été ajoutés, le port entrant représentant le flux vidéo de la caméra (qui ne fait pas partie du système) et le port sortant représentant la communication avec la station au sol.
8 2 - 5 - Diagramme paramétrique.
Le diagramme paramétrique est un diagramme structurel appelé Parametric Diagram (par) dans le langage SysML. Ce diagramme est une extension du diagramme de définition de blocs (ibd) et il partage donc les mêmes éléments graphiques. Il présente la particularité de pouvoir connecter entre elles des contraintes ajoutées au diagramme de blocs par le biais d’un bloc particulier, dit « de contraintes » (constraint block) qui contient des paramètres et une relation, en général mathématique, les reliant.
3 - Structure générale des systèmes automatisés. Chaîne fonctionnelle.
3 -1 - Structure générale d’un système.
Un système automatisé est un système de production pour lequel les tâches de coordination exécutées dans le passé par des opérateurs humains, ont toutes ou en partie été transférées dans un ensemble appelé partie commande.
- La Partie Commande (PC) mémorise le savoir faire des opérateurs, pour obtenir la suite des actions à effectuer sur la matière d’œuvre afin d’élaborer la
valeur ajoutée. Elle représente en quelque sorte le ‘cerveau’. Les énergies manipulées sont faibles ( Ex : 5V en électrique, 15 bars en hydraulique,…) - La Partie Opérative (PO) effectue la
transformation de la matière d’œuvre à partir des ordres transmis par la partie commande. Elle représente en quelque sorte la ‘main’. Les énergies manipulées sont souvent élevées ( Ex : 380V en électricité, 250 bars en hydraulique,…).
PARTIE OPERATIVE
PARTIE COMMANDE
ordres comptes
rendus
signalisations
messages (vers d’autres
systèmes) déchets produit = matière
d’œuvre sortante matière d’œuvre
entrante
énergie
consignes humaines
messages issus d’autres systèmes
Frontière du système
Information Information
9 3 - 2 - Structure d’une chaîne fonctionnelle.
On appelle chaîne fonctionnelle l’ensemble des constituants réalisant une fonction élémentaire du système.
Elle est constituée de :
- Effecteur : dispositif terminal d’une chaîne d’action qui agit directement sur la matière d’œuvre (ex. : pinces de robot, lame de scie, ...).
- Actionneur : sa fonction est de convertir une énergie d’entrée, disponible sous une certaine forme, en une énergie de sortie (ex. : moteur électrique, chaudière, ...).
- Pré-actionneur : c’est un gestionnaire de l’énergie de commande d’un actionneur (ex. : variateur, distributeur, interrupteur, ...).
- Capteur : sa fonction globale est de réaliser la mesure d’une grandeur physique et de la coder ou convertir en une autre grandeur physique.
- Interface entrée/sortie : Elément de dialogue entre la partie commande et le milieu extérieur (boutons de commande, voyants, pupitre).
Le schéma blocs est l’outil de représentation de la structure d’une chaîne fonctionnelle.
Autre représentation possible, visualisant d’une part le cheminement de l’information (chaîne d’information) et d’autre part le cheminement de l’énergie (chaîne d’énergie) :
EFFECTEUR agir ACTIONNEUR
convertir l’énergie PRE-
ACTIONNEUR gérer l’énergie commandes
ou ordres
énergie modulée
autre énergie PARTIE
COMMANDE élaborer et transmettre
les ordres
DETECTEURS et CAPTEURS
acquérir l’information signaux
dialogue (opérateur, autres systèmes)
PARTIE OPERATIVE chaîne
d’acquisition ou d’information
chaîne d’action
ou d’énergie
PARTIE COMMANDE énergie potentielle
Matière d’œuvre entrante
Produit = Matière d’œuvre sortante
10 Remarques : - Il peut y avoir une ou plusieurs chaînes d’acquisition.
- Lorsqu’il y a une chaîne d’acquisition portant sur les effets de la chaîne fonctionnelle, on dit que la chaîne fonctionnelle fonctionne en boucle fermée, sinon, elle fonctionne en boucle ouverte.
Exemple : Store automatique.
Représentation de la chaîne fonctionnelle par un schéma blocs
4 - Analyse technique.
Elle permet de visualiser les composants du système, leur forme, leur position par rapport aux autres. Elle comprend les schémas de toutes sortes (électrique, pneumatique, hydraulique, …) et les dessins.
La représentation a longtemps été réalisée à la main. Pour le dessin, elle pouvait présenter un ou
plusieurs composants, en 2D ou en 3D.
- dessin technique 2D (réalisé à la planche
à dessin)
EFFECTEUR tambour
toile guides
énergie de rayonnement
modulée énergie de
rayonnement
ACTIONNEUR moteur électrique PRE-
ACTIONNEUR contacteur
électro magnétique commande
( signal électrique ) énergie électrique potentielle
énergie électrique
modulée
énergie mécanique PARTIE
COMMANDE
DETECTEUR de fin de
course compte rendu de fin d’action
(signal électrique)
CAPTEURS ensoleillement
vent compte rendus d’état climatique
(signaux électriques) Remarque : La simplicité de cet exemple
( constitué d’une seule chaîne fonctionnelle ) permet de faire le schéma bloc du système
Exemple : Butée de fixation de ski
11 - dessin technique 3D (éclaté et nomenclature)
1 : Equerre de fixation 2 : Roue d’adaptation
3 : Réducteur
4 : Frein
5 : Moteur (220V-50Hz) 6 : Couronne d’adaptation 7 : Support d’embout 8 : Tambour d’enroulement 9 : Bloc fin de course
Exemple : Store automatique
Aujourd’hui elle est réalisé par des modeleurs 3D informatiques, ce qui permet à l’ordinateur d’avoir la description complète de chaque pièce et donc de pouvoir la présenter dans n’importe qu’elle position, en 2D ou en 3D, avec ou sans les pièces voisines. Il n’y a pas encore à l’heure actuelle de liaison entre ces modeleurs et SysML..
Exemple : Turbo réacteur d’avion Exemple : Moteur d’automobile
III - Contenus de l’enseignement de Sciences Industrielles.
Les éléments de la partie opérative ( pré-actionneur, et surtout actionneur et effecteur ) sont souvent des organes mécaniques. L’étude du comportement de tout ou partie de la partie opérative nécessitera donc de connaître les outils de la mécanique du solide ( cinématique, statique et dynamique ) .
L’étude de la partie commande, si les signaux transmis et reçus sont des variables binaires ( valeurs 0 ou 1 ) est l’étude des systèmes à événements discrets.
Enfin, lorsque les signaux transmis et reçus sont des variables continues, l’étude du comportement de la chaîne fonctionnelle est l’étude des asservissements.
C’est pourquoi le cours de S.I. portera pour une bonne partie sur ces sujets ( cinématique, statique et dynamique du solide, systèmes à événements discrets, asservissements ) .
