M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Sommaire Partie A : C i r c u i t s m i c r o - o n d e .........................................6 Partie A : C i r c u i t s m i c r o - o n d e .........................................6 Chapitre 1 : MICRO ONDE ET APPLICATION ........................................................6 1-Les micro-ondes et leurs applications. ..........................................................................6 a- Définition...................................................................................................................6 b- Applications ..............................................................................................................6 2-Le spectre électromagnétique........................................................................................7 3- Propriétés caractéristiques des micro-ondes ...............................................................9 a- Historique .................................................................................................................9 b- Evolution des technologies des circuits micro-ondes .............................................10 c- Avantages et inconvénients de la technologie planaire ......................................... 10 Chapitre 2 : PARAMETRES S ET LIGNES MUCRORUBAND ............................ 11 1. Paramètres S ............................................................................................................... 11 1.1 Application à un quadripôle ...........................................................................11 1.1.1. Définition ................................................................................................. 12 1.1.3. Graphe de fluence ................................................................................... 13 1.1.4. Coefficient de réflexion ............................................................................ 15 1.1.5. Notion de puissance ................................................................................. 16 1.1.6. Pertes d’insertion ..................................................................................... 17 1.2. Propriétés .............................................................................................................18 1.2.1. La réciprocité ........................................................................................... 18 1.2.2. La symétrie .............................................................................................. 18 1.2.3. L’unilatéralité .......................................................................................... 18 1.2.4. L’idéalité .................................................................................................. 19 1.2.5. Le quadripôle réciproque passif sans pertes ..........................................19 1.2.6. Décalage des plans de référence .............................................................. 20 2. Ligne micro ruban ......................................................................................................23 2.1 Introduction ..........................................................................................................23 2.2 Les différents types de lignes ................................................................................ 23 2.3 Approche théorique de la ligne microbande ........................................................ 24 Chapitre 3 : Circuits micro-ondes .............................................................................. 26 I. Circuit a deux accès .................................................................................................. 26 1. L’atténuateur ............................................................................................................ 26 1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 26 1.2. Technologie ..........................................................................................................26 1.2.1. Eléments localisés .......................................................................................... 26 1.2.2. Guide d’onde ................................................................................................. 28 1.2.3. Circuits intégrés ............................................................................................ 28 1.3. Applications ......................................................................................................... 28 1.3.1. Protection d’un appareil de mesure ............................................................. 28 1.3.2. Masquage d’une désadaptation .................................................................... 28 2. Le déphaseur ............................................................................................................ 29 2.1. Fonctionnement.................................................................................................... 29 2.2. Technologie ..........................................................................................................29 2.2.1. Eléments localisés .......................................................................................... 29 2.2.2. Eléments distribués ....................................................................................... 30 1 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.2.3. Circuits intégrés ............................................................................................ 30 2.3. Applications..........................................................................................................30 3. L’isolateur ................................................................................................................. 32 3.1. Fonctionnement.................................................................................................... 32 3.2. Technologie ..........................................................................................................32 3.2.1. Technologie hybride ...................................................................................... 32 3.2.2. Circuits intégrés ............................................................................................ 32 3.3. Applications..........................................................................................................32 II. Circuits à trois accès .................................................................................................. 34 1. Le circulateur............................................................................................................ 34 1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 34 1.2. Technologie ..........................................................................................................34 1.3. Applications ......................................................................................................... 35 1.3.1. Duplexage ......................................................................................................35 1.3.2. Amplification à résistance négative .............................................................. 36 2. Diviseurs. Combineurs de puissance ................................................................. 37 2.1. Fonctionnement.................................................................................................... 37 2.2. Technologie ..........................................................................................................38 2.2.1. Diviseur résistif .............................................................................................. 38 2.2.2. Diviseur combineur Wilkinson ..................................................................... 39 2.3. Applications ......................................................................................................... 40 2.3.1. Boucle à verrouillage de phase ......................................................................40 2.3.2. Amplification de puissance ...........................................................................41 III. Circuits à quatre accès ............................................................................................. 42 1. Coupleur bidirectionnel.......................................................................................... 42 1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 42 1.2. Technologie ..........................................................................................................44 1.2.1. Guides d’ondes .............................................................................................. 44 1.2.2. Coupleur microstrip ...................................................................................... 44 1.3. Applications..........................................................................................................45 1.3.1. Contrôle de niveau, asservissement .............................................................. 45 1.3.2. Mesure d’un coefficient de réflexion ............................................................ 45 III. Circuits actifs.................................................................................................... 47 1. Filtres hyperfréquences .............................................................................................. 47 1.1 Introduction ......................................................................................................... 47 1.2 Méthodes de synthèse générale ............................................................................ 47 1.3 Filtres hyperfréquences ....................................................................................... 48 1.3.1 Réalisation d'impédances et de circuits accordés avec des lignes micro rubans . 49 1.3.1.1 Equivalence entre un tronçon de ligne et une inductance ou une capacité ... 49 1.3.1.2 Réalisation d`inductances et de capacités ............................................... 49 1.3.1.3 Inversion d'impédance pour la réalisation des capacités série .............. 50 1.3.1.4 Réalisation de circuits résonnants et antirésonnants ............................. 51 1.3.2 Topologie des filtres Passe-bas en technologie microruban .......................... 53 1.3.3 Topologie des filtres Passe-bande en technologie microruban ..................... 54 1.3.4 Synthèse des filtres Passe-bas......................................................................... 54 1.3.4.1 Fonction de Butterworth ......................................................................... 54 1.3.4.2 Calcul des éléments Lk et Ck .................................................................. 55 1.3.5 Transposition aux filtres Passe-haut et Passe-bande .................................... 56 1.3.5.1 Filtres Passe-haut..................................................................................... 56 2. Amplificateurs hyperfréquence .................................................................................. 57 2 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.1 Théorie de conception des amplificateurs ...................................................... 57 2.2 Gain dans un amplificateur .................................................................................. 57 2.2.1. Gain de transfert ........................................................................................... 57 2.2.2 Gain disponible ............................................................................................... 58 2.3. Stabilité d'un amplificateur ................................................................................. 59 2.3.1. Définition ....................................................................................................... 59 2.3.2. Analyse de la stabilité inconditionnelle ......................................................... 61 2.3.3. Adaptation en puissance simultanée entrée – sortie..................................... 62 2.3.4. Cercles de bruit et adaptation en bruit ......................................................... 63 CHAPITRE 4 : PRESENTATION DU LOGICIEL ADS ...........................................64 ET TRAVAUX PRATIQUE ............................................................................................. 64 1. Présentation ADS ......................................................................................................64 1.1 Introduction ..........................................................................................................64 1.2 Projets .................................................................................................................... 66 1.2.1 Projets .............................................................................................................66 1.2.2 Créer un projet ............................................................................................... 66 1.2.3 Ouvrir un projet ............................................................................................. 67 1.3 Design .................................................................................................................... 68 1.3.1 Design.............................................................................................................. 68 1.3.2 Créer un Design .............................................................................................. 68 1.3.3 Ouvrir un Design ............................................................................................ 69 1.4 Simulation dans ADS ............................................................................................ 70 1.4.1 Simulation d’un design................................................................................... 70 1.4.2 Visualisation des résultats .............................................................................. 70 1.4.3 Optimisation d’un design ............................................................................... 71 2. Travaux pratiques : .................................................................................................... 73 2.1 Ampli équilibré à 10 GHz ..................................................................................... 73 2.1.1 Introduction: .................................................................................................. 73 2.1.2 Court circuit décalé ........................................................................................ 73 2.1.3 Self parallèle ................................................................................................... 74 2.2.4 Self série ..........................................................................................................75 2.2 Coupleur « Branch Line » -3dB, -90° ....................................................................... 80 2.3 filtre micro-ondes .................................................................................................. 82 2.3.1 Introduction .................................................................................................... 82 2.3.2 Filtre à éléments localises sous ADS .............................................................. 83 2.3.3 Filtre à éléments distribues sous ADS ........................................................... 85 2.3.4 Filtre a éléments distribues sous MOMENTUM...........................................87 2.3.5 Conclusion ......................................................................................................89 C o n c l u s i o n g é n é r a l e .............................................................................90 Bibliographie ...................................................................................................................... 91 Partie B : S U P E R V I S I O N D E S C O M P T E U R S D E C O N S O M M A T I O N D ’ E N E R G I E ......................................................................92 I n t r o d u c t i o n g é n é r a l e .......................................................... 92 Chapitre 1 : PRESENTATION DE LA SOCIETE ........................................................ 94 1. Historique : ............................................................................................................... 94 a) Présentation de Holcim (Maroc) :.............................................................................. 94 b) Développement Holcim : .......................................................................................... 94 2. Fonction et services de l’entreprise : ......................................................................... 95 3. Organigramme de l’entreprise : ................................................................................. 95 3 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 2 : PROCEDE DE FABRICATION DU CIMENT ..........................................96 Etape de fabrication du ciment : ........................................................................................ 96 1. Exploitation de la carrière : ....................................................................................... 96 2. Concassage : .............................................................................................................96 3. Echantillonnage : ......................................................................................................97 4. Pré homogénéisation : ............................................................................................... 97 5. Broyage et séchage de la matière première : .............................................................. 97 6. Homogénéisation : .................................................................................................... 97 7. Cuisson de la farine ................................................................................................... 98 8. broyage ciment : ....................................................................................................... 98 9. Ensachage et expédition : .......................................................................................... 98 I. Description du l’installation d’alimentation : .......................................................... 100 a) Alimentation usine : ................................................................................................ 100 b) Alimentation secours : ............................................................................................ 100 II. Description des salles électriques : ....................................................................... 101 III. Description des secteurs de l’usine : ..................................................................... 101 Chapitre 4 : CAHIER DE CHARGES ET POSITIONNEMENT DU PROBLEME ..... 103 I. Description du projet :.............................................................................................. 103 a) Quoi ? ................................................................................................................ 103 b) Pourquoi ? ......................................................................................................... 103 c) Objectif : ............................................................................................................ 103 1) L’archivage automatique des consommations :........................................................ 103 2) L’analyse technique et comptable des consommations : .......................................... 104 3) L’optimisation du contrat de fourniture : ................................................................. 104 4) La maintenance préventive du réseau ...................................................................... 104 II. Inconvénient de l’installation actuelle : ................................................................ 105 a) Niveau installation : ............................................................................................ 106 b) Les équipements : ............................................................................................... 106 c) Les relevés du comptage : ................................................................................... 107 Chapitre 5 : SOLUTIONS ET PROPOSITION .......................................................... 108 I. Outil de travail ‘Code HAC’ : .................................................................................. 108 II. La redistribution des compteurs M.T et B.T : ..................................................... 109 II.1 Compteur basse tension B.T : ............................................................................... 111 II.2 Compteurs Moyenne Tension M.T : .................................................................... 114 III. Etude d’équipement :............................................................................................ 115 III.1. Choix des compteurs : ............................................................................................ 116 III.1.1 Centrales de mesure ........................................................................................ 116 III.1.2 Compteurs télérelevables .................................................................................. 116 III.1.3 Concentrateur d’impulsions .............................................................................. 117 III.2 Choix du technique de transmission. ....................................................................... 119 III.2.1 liaison RS485 .................................................................................................. 119 a- introduction......................................................................................................... 119 b- Principe de base du RS485 :................................................................................ 119 c- Liaison série RS 485 MODBUS .......................................................................... 119 d- Structure du message : ........................................................................................ 119 e-Câblage de la liaison MODBUS RS 485 : ............................................................ 120 f- Mode RTU : ........................................................................................................ 121 III.3 Choix du multiplexeur :.......................................................................................... 123 III.4 Choix de la carte d’acquisition : .............................................................................. 124 III.4.1 carte d’acquisition NI PCI-6221 ....................................................................... 124 4 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n a- définition ............................................................................................................ 124 b- Description carte DAC NI PCI-6221:.................................................................. 124 III.4.2. Measurement and Automation Explorer (MAX) : ............................................ 125 Chapitre 6 : SUPERVISION......................................................................................... 127 I. Etude du système de supervision: ................................................................................. 127 I.1 introduction a LabVIEW ........................................................................................... 127 I.2 Le concept d'instrument virtuel ................................................................................. 127 I.3 Le principe de LabVIEW .......................................................................................... 128 I.4 Le langage G ............................................................................................................ 129 II. Interface de visualisation ............................................................................................. 131 II.1 face avant ................................................................................................................. 131 II.2 diagramme ............................................................................................................... 132 Schéma globale de la chaîne de supervision .................................................................... 134 Conclusion générale ........................................................................................................... 135 Conclusion personnelle ...................................................................................................... 135 5 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e Partie A : C i r c u i t s d e Com m u n i c a t i o n mi cro - o nd e Chapitre 1 : MICRO ONDE ET APPLICATION 1-Les micro-ondes et leurs applications. a- Définition On appelle micro-onde (microwave en anglais) ou hyperfréquence la bande de fréquences auxquelles les dimensions géométriques des objets utilisés sont de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde électromagnétique. Ce sont en général des ondes électromagnétiques de longueur d’onde intermédiaire entre l’infrarouge et les ondes de radiodiffusion. b- Applications Les micro-ondes ne sont connues du grand public que par les fours qui ont pris place dans les cuisines ces dernières années. Or ses applications sont aussi nombreuses que variées. Citons entre autres Dans l’industrie avec les télécommunications et des systèmes, tels que le radar, l’effet du rayonnement micro-onde sur les pertes diélectriques de l’eau. En médecine l’hyperthermie micro-onde permet le traitement des tumeurs cancéreuses. En radioastronomie avec la mise au point des radiotélescopes. En électronique avec la réalisation des oscillateurs, amplificateurs, mélange et multiplication de fréquences En radiométrie avec l’évaluation des caractéristiques physiques ou naturelles de la zone d’observation (télédétection) ; mesure des paramètres physiques divers tels que distance, position, épaisseur, vitesse, déformation etc. La navigation, la surveillance le guidage des armes. Nous donnons dans le tableau 3 ci-dessous quelques applications micro-ondes en fonction de leur bande de fréquence. 6 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Ondes électromagnétiques Application Extrêmement basses fréquences (ELF) Transport et distribution de l’électricité Electroménager Transmission des données vocales Métallurgie Chauffage par induction Radiocommunications Fréquences audio (VF) Très basses fréquences (VLF) Basses fréquences (LF) Radiodiffusion Fours à induction Radiodiffusion Diathermie médicale Soudage Collage Télévision Radio FM Télévision Radar Téléphonies mobiles Fours à micro-ondes Hyperthermie médicale Fréquences moyennes (MF) Hautes fréquences (HF) Très hautes fréquences (VHF) Fréquence ultra haute (UHF) Fréquences super hautes (SHF) Radars Alarmes anti-intrusion Radars Communication par satellites Fréquences extrêmement hautes (EHF) 2-Le spectre électromagnétique Dans le spectre radiofréquence qui s’étend des fréquences extrêmement basses aux fréquences extrêmement hautes (EHF) nous pouvons situer les micro-ondes entre les hautes fréquences et les fréquences extrêmement hautes (EHF) qui évoluent par décade comme l’indique le tableau 1 ci-dessous. 7 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com Ondes électromagnétiques Fréquences Extrêmement basses fréquences (ELF) 3Hz à 300Hz m u n i c a t i o n 0.3 à 3KHz Fréquences audio (VF) Très basses fréquences (VLF) 3 à 30KHz Basses fréquences (LF) 30 à 300KHz Fréquences moyennes (MF) 0.3 à 3MHz Hautes fréquences (HF) 3 à 30MHz Très hautes fréquences (VHF) 30 à 300MHz Fréquence ultra haute (UHF) 0.3 à 3GHz Fréquences super hautes (SHF) 3 à 30GHz Fréquences extrêmement hautes (EHF) 30 à 300GHz Tableau spectre radiofréquence et micro-onde Les micro-ondes sont souvent réparties en gammes de fréquences correspondant à des bandes normalisées d’utilisation de guides d’ondes comme le montre le tableau 2 ci-dessous : 8 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 3- Propriétés caractéristiques des micro-ondes Les micro-ondes ont la principale propriété de pénétrer au coeur de matériaux de type diélectriques à pertes entrainant ainsi la dissipation de l’énergie. a- Historique Les bases théoriques des micro-ondes sont l’oeuvre de Maxwell théoricien fondateur de l’électromagnétisme moderne qui formula dans les année 1860, les célèbres équations connues aujourd'hui sous l’appellation « équation de Maxwell » publiées en 1873 dans son traité sur l’électricité et le magnétisme. En1888 Hertz fut le premier à démontrer l’existence des ondes électromagnétiques en construisant un appareil produisant des ondes radios à une fréquence de l’ordre de 1GHz. A la même période un groupe expérimental de chercheurs se forme « the Hertzians » et un membre du groupe exposa sur les phénomènes électromagnétiques lors d’une conférence. En 1897 Rayleigh démontra théoriquement la possibilité de faire propager des ondes dans des tuyaux métalliques creux à section rectangulaire ou circulaire. Les expériences de Marconi dans les années 1890 montrèrent qu’il était possible d’établir une liaison entre deux points de la Terre par propagation d’onde radioélectrique en espace libre. Au début du 20è siècle, Bose a développé un détecteur semi-conducteur à 60GHz, des guides d’ondes rectangulaires, des cornets. Les radios ou télécommunications modernes voient le jour avec les travaux de Kennelly et de Heaviside. Durant une bonne période le sujet disparaît. L’électronique micro-onde n’intéresse plus personne et il faut attendre une trentaine d’années pour voir Schelkunoff et d’autres redécouvrir et développer le sujet. Ce passage à vide est dû sans doute au succès des ondes longues en radio qu’à la difficulté d’engendrer des ondes électromagnétiques micro-ondes. En 1920 les premières émissions de radiodiffusion eurent lieu. Dans les années 1939 le radar se développe rapidement avec la naissance du magnétron tube générateur de haute puissance micro-onde. Outre le radar, les communications par satellite ont été une étape majeure du développement des micro-ondes et techniques associées. Entre 1970 et 1980, l’usage de l’informatique et l’apparition des télécommunications numériques a fait négliger les micro-ondes par d’aucuns. Dès lors, le développement des micro-ondes fut considérable et les applications nombreuses et importantes. 9 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n b- Evolution des technologies des circuits micro-ondes Pendant longtemps le guide d’onde fermé (conventionnel) a fait l’objet d’une utilisation courante en micro-onde. Actuellement la plupart des circuits de télécommunication travaillant aux environs de 10GHz sont réalisés en technologie planaire. En bref nous disons que la technologie des circuits micro-ondes a rapidement évolué durant la dernière décade vers l’utilisation de circuits planaires. c- Avantages et inconvénients de la technologie planaire La technologie planaire consiste à graver les éléments de circuits sur un substrat diélectrique approprié. Elle s’est développée en raison de nombreux avantages qu’elle offre : réduction d’encombrement et de coût qui compense largement les coût de recherche et de développement. Les circuits micro-ondes réalisés en technologie des circuits imprimés ont cependant quelques limitations dont la plus fondamentale reste leur faible capacité de dissipation de puissance vu la taille des dispositifs et la faible conductivité thermique des semi-conducteurs par rapport aux métaux. 10 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 2 : PARAMETRES S ET LIGNES MUCRORUBAND 1. Paramètres S Les paramètres S répondent à la nécessité d’un nouvel outil de caractérisation des circuits linéaires aux fréquences micro-ondes. D’un point de vue purement mathématique, les paramètres qu’ils relient sont issus d’une combinaison linéaire des tensions et des courants aux N accès du circuit et représentent des ondes incidentes aj et réfléchies bj. Au jième accès, l’onde sortante s’écrit comme une combinaison linéaire des ondes entrantes à chacun des autres accès : N b j S jk ak k 1 Les paramètres a et b sont définis par : aj bj Z0 j Z0* j 2 Z0 j Z0* j 2 .I jI .I jR Z0j est l’impédance de normalisation du jième port, c'est-à-dire l’impédance interne du générateur connecté au port j. 1.1 Application à un quadripôle Dans le cas général, les ondes incidentes et réfléchies prennent la forme suivante : a1 V1 Z1.I1 2 Re( Z1 ) a2 V1 Z1*.I1 b1 2 Re( Z1 ) V2 Z 2 .I 2 2 Re( Z 2 ) V2 Z 2*.I 2 b2 2 Re( Z 2 ) Z1 et Z2 sont les impédances de normalisation aux accès 1 et 2. 11 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 1-7 Ondes incidentes et réfléchies a1 et b1 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès 1 a2 et b2 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès 2 1.1.1. Définition Comme on l’a vu précédemment, les paramètres S relient entre elles les ondes incidentes et réfléchies. Pour un quadripôle : b1 S11a1 S12 a2 b2 S21a1 S22 a2 S11 b1 Lorsque a2 0 a1 C’est le rapport de l’onde réfléchie sur l’onde incidente à l’entrée du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 2 est nulle. D’un point de vue terminologie le rapport d’une onde réfléchie à une onde incidente s’appelle un coefficient de réflexion. C’est la fraction d’énergie réfléchie par le quadripôle dont on comprend bien qu’elle devra être minimisée pour favoriser le transfert du signal à la sortie du quadripôle. S12 b1 Lorsque a1 0 a2 C’est le «gain» inverse du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 1 est nulle. S 21 b2 Lorsque a2 0 a1 C’est le «gain» direct du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 2 est nulle. 12 M a s t e r S 22 : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n b2 Lorsque a1 0 a2 C’est le coefficient de réflexion à la sortie du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 1 est nulle. La mesure des paramètres S nécessite donc d’annuler tour à tour, non pas des tensions et des courants comme pour les paramètres descriptifs classiques mais des ondes incidentes. La nullité des ondes a1 ou a2 se traduit par : in a2 0 b1 a1 V2 R0 I 2 V j Z0 j I j Dans le cas général, on aura : aj 0 Ces conditions sont réalisées lorsque l’accès considéré est chargé par son impédance de normalisation ce qui évite d’utiliser des références en circuit ouvert ou en court circuit. 1.1.3. Graphe de fluence Un graphe de fluence est un moyen élégant de représenter et d’analyser le phénomène de réflexion et de transmission dans un circuit microonde. En effet, une fois la topologie du graphe établie, les relations entre les variables peuvent être déterminées à partir des règles de Mason. Plusieurs définitions sont nécessaires à la construction d’un graphe de fluence : · Chaque variable (dépendante ou indépendante) est associée à un noeud. · Les paramètres S sont représentés par des branches. · Les branches sont orientées de la variable indépendante vers la variable dépendante. Les variables indépendantes (respectivement dépendantes) sont les ondes incidentes (respectivement réfléchies). · Un noeud est égal à la somme des branches convergeant vers lui. Le graphe de fluence d’un quadripôle caractérisé par ses paramètres S est représenté sur la figure suivante : 13 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure : Graphe de fluence d’un quadripôle Pour déterminer la fonction de transfert d’une variable dépendante à une variable indépendante, on applique la formule de Mason. T C1 1 L11 L12 ..... C2 1 L12 L22 ..... ... 1 L1 L2 L3 ..... Les termes Ci sont les différents chemins possibles entre la variable indépendante et la variable dépendante. Un chemin est défini comme un circuit fermé que l’on parcoure dans le sens des flèches sans passer deux fois par le même noeud. Le terme L1 représente la somme des boucles du premier ordre. Une boucle du premier ordre est définie comme le produit des branches rencontrées lors du parcours fermé d’un noeud vers ce même noeud. Le terme L2 représente la somme des boucles du deuxième ordre. Une boucle du deuxième ordre est le produit de deux boucles du premier ordre non adjacentes. Le terme Lj i représente la somme des boucles d’ordre j ne touchant pas le chemin C1. 14 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 1.1.4. Coefficient de réflexion Dans le domaine tension-courant un dipôle est caractérisé par son impédance Z (rapport entre tension et courant). Son équivalent dans le formalisme des paramètres S s’appelle le coefficient de réflexion G (rapport entre onde réfléchie et onde incidente). Figure : réflexion sur un dipôle Le passage entre les deux domaines est immédiat : a V Z 0 .I 2 R0 V Z0*.I b 2 R0 b V Z 0* .I Z L Z 0* a V Z 0 .I Z L Z 0 Le coefficient de réflexion quantifie en amplitude et en phase l’énergie réfléchie par le dipôle. Il existe un autre formalisme, issu de la théorie des lignes de transmission, permettant de mesurer l’énergie réfléchie : le Taux d’Onde Stationnaire. Cependant, celui-ci ne donne aucune indication sur la phase de signal réfléchi. Sa définition est la suivante : 1 TOS 1 On utilise la définition des paramètres S b1 S11a1 S12 a2 b2 S21a1 S22 a2 15 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure :Réflexion d’un quadripôle chargé On obtient in b1 S S =S11 + 12 21 L a1 1 S22 L Une charge sera dite adaptée si elle ne réfléchit aucune puissance (= 0). Dans le cas où l’impédance de charge L est égale à l’impédance de normalisation, le coefficient de réflexion à l’entrée d’un quadripôle chargé est égal à S 11. Sinon, un terme correctif tient compte des réflexions en sortie. 1.1.5. Notion de puissance Dans le domaine tension courant, lorsque la tension et le courant sont exprimés en valeur crête, la puissance délivrée à un dipôle s’écrit : P 1 Re (V .I * ) 2 Figure : Puissance délivrée à un dipôle 16 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Dans le formalisme d’onde la puissance délivrée se met sous la forme : P 1 (a 2 2 b ) 2 Cette relation s’interprète de la façon suivante : la puissance dissipée par un dipôle est égale à la différence entre la puissance incidente et la puissance réfléchie par ce dipôle. 1.1.6. Pertes d’insertion Les pertes d’insertion d’un quadripôle se définissent comme le rapport de la puissance délivrée à la charge PL sur la puissance disponible du générateur Pav. Figure : Pertes d’insertion d’un quadripôle La puissance délivrée à la charge s’écrit : PL 1 2 b 2 2 a2 2 Dans le cas particulier où la charge est l’impédance de référence (L = 0) PL 1 b2 2 2 Egalement dans le cas particulier où l’impédance interne du générateur est égale à l’impédance de référence (S = 0), la puissance disponible du générateur s’écrit : Pav 1 a1 2 2 Les pertes d’insertion d’un quadripôle inséré entre deux impédances égales à l’impédance de normalisation s’écrivent : 17 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t b IL 2 a1 S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2 S21 2 1.2. Propriétés 1.2.1. La réciprocité Les quadripôles présentant un transfert énergétique interne identique dans les deux sens sont dits réciproques. Les conditions suivantes traduisent la réciprocité d’un quadripôle : S12 S21 Pratiquement, tous les quadripôles passifs ne contenant pas de matériaux ferrimagnétiques sont réciproques. En particulier les quadripôles réalisés à partir de résistances, inductances, capacités, tronçons de ligne de transmission, etc... sont réciproques. 1.2.2. La symétrie Les quadripôles présentant des propriétés électriques identiques lorsque l’on inverse l’entrée et la sortie sont dits symétriques. La symétrie implique donc la réciprocité alors que l’inverse n’est pas vrai. Ceci se traduit par les conditions suivantes, une fois que les conditions sur la réciprocité sont satisfaites : S11 S22 La symétrie électrique s’accompagne d’une symétrie topologique souvent plus rapide à mettre en évidence. 1.2.3. L’unilatéralité L’unilatéralité d’un quadripôle est un cas particulier de non réciprocité. Non seulement le transfert interne d’énergie n’est pas identique dans les deux sens, mais en plus il est nul pour l’une des deux directions de propagation du signal. Les conditions électriques à satisfaire sont les suivantes : S12 0 18 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le transistor est un exemple typique de quadripôle unilatéral (pour peu que l’on soit loin de sa fréquence de coupure) puisqu’il n’amplifie le signal que dans un sens. 1.2.4. L’idéalité Un quadripôle est dit idéal lorsqu’il ne dissipe aucune puissance de façon interne. La non transmission d’énergie, dans toute ou partie d’une bande de fréquence, pour un quadripôle de ce type ne peut provenir que de la réflexion de cette puissance. Cette propriété se traduit par : S S t * 1 (La matrice S est dite unitaire) Pour un quadripôle, deux relations importantes, mettant en évidence le bilan de puissance dans les sens direct et inverse, sont issues de cette dernière expression : S11 S 21 2 1 S22 2 1 2 S12 2 La troisième indique que les phases de chacun des paramètres ne sont pas indépendantes : * S11* S12 S21 S 22 0 En ce qui concerne la matrice chaîne, sa diagonale principale est purement réelle, l’autre étant purement imaginaire. Les quadripôles formés d’éléments inductifs et capacitifs, lorsqu’ils sont utilisés très loin de leur fréquence de résonance, peuvent être considérés idéaux. L’observation de leur coefficient de qualité à la fréquence de travail fournit alors des renseignements précieux. De la même manière les quadripôles formés de tronçons de ligne de transmission sont souvent considérés sans pertes s’ils sont correctement choisis dans leur type, leurs dimensions et leur fréquence de travail. 1.2.5. Le quadripôle réciproque passif sans pertes L’étude du cas particulier que représente cette famille de quadripôles est justifiée par son emploi intensif lors de la conception des réseaux d’adaptation micro-ondes. Le développement de la relation d’unitarité de la matrice [S] conduit à : 19 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n S11 S12 1 2 2 S12 S22 1 2 2 * S11S12* S12 S 22 0 On en déduit que les modules des paramètres S11 et S22 d’un quadripôle réciproque passif sans pertes sont égaux. La troisième relation permet d’établir une relation entre les phases des paramètres S 11 , S12 et S22. Cette relation se simplifie si le quadripôle est symétrique. 12 11 22 2 2 La caractérisation des circuits linéaires en haute fréquence doit donc utiliser un formalisme différent tenant compte du phénomène de propagation proche des phénomènes optiques. 1.2.6. Décalage des plans de référence Aux fréquences micro-ondes, la longueur d’onde est du même ordre de grandeur que la taille du circuit. Il en résulte une variation rapide des tensions et des courants incidents et réfléchis aux accès des circuits. La mesure des paramètres S qui en découle nécessite la détermination des plans de mesure également appelés plans de référence. De façon pratique, ceux ci sont fixés par le système de mesure : pour l’analyseur de réseau vectoriel il s’agira des connecteurs utilisés pour la calibration. Figure : Plans de référence d’un quadripôle 20 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Si on souhaite connaître les paramètres S définis par rapport à d’autres plans de référence, tout se passe comme si la mesure était effectuée dans les conditions indiquées sur la figure ci dessous. Figure : Insertion de quadripôles connus aux accès du quadripôle à mesurer Intuitivement on comprend bien que la connaissance des quadripôles insérés à chacun des accès, associée à la connaissance des paramètres S du quadripôle initial permet de caractériser complètement le quadripôle global. Ce problème est particulièrement simple à résoudre lorsque les quadripôles insérés aux accès sont des lignes de transmission d’impédance caractéristique l’impédance de référence du système de mesure (50 ohms dans le quasi totalité des cas). Il suffit en effet de définir la matrice caractéristique de déplacement des plans de référence : 0 exp( l1 ) 0 exp( l ) 2 D Et la constante de propagation complexe sur la ligne, I 1 et I2 longueurs des tronçons de ligne aux accès 1 et 2. La matrice S du quadripôle global s’écrit alors : S D S D 21 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Cette relation s’étend sans aucun problème aux systèmes à n accès. La matrice de déplacement s’écrit alors : 0 exp( l1 ) 0 ......... 0 . 0 . D . 0 . 0 0 ...... 0 exp( ln ) Les paramètres S dans les nouveaux plans de référence s’expriment de la façon suivante : Sii Sii exp(2 li ) Sij Sij exp( (li l j )) En pratique, c’est très souvent la relation réciproque que l’on utilise. Elle permet en effet de connaître les paramètres S d’un dispositif dans des plans qui ne sont pas accessibles à la mesure. C’est notamment le cas pour les circuits intégrés MMIC. Cette opération s’appelle le « deembedding ». 22 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2. Ligne micro ruban 2.1 Introduction La miniaturisation des circuits ainsi que l’accroissement de leur fréquence de fonctionnement a donné naissance à de nombreuses structures planaires de transmission de l’information. De part leur encombrement réduit, leur poids et leur facilité de fabrication empruntée à la technologie classique des circuits basse fréquence, ces structures sont largement exploitées dans le milieu industriel. La ligne microruban est très utilisée pour la fabrication de circuits hyperfréquences, principalement parce qu’elle s’apprête bien à une fabrication par procédé photolithographique, et également parce qu’elle permet une intégration simple des composantes passives et actives par montage en surface. 2.2 Les différents types de lignes Les principaux types de lignes sont représentés à la figure 1 : Figure 1 : Les différents types des lignes à bandes 1. La ligne microbande (ou encore micro ruban, microstrip) comporte un substrat diélectrique métallisé sur sa face arrière (le plan de masse) et un circuit de métallisation sur la face avant. 2. La ligne à fente (slot line) où deux conducteurs formant la ligne de transmission sont déposés sur la même face du substrat diélectrique. 3. La ligne coplanaire (coplanar line) est une extension de la ligne précédente, avec trois bandes métalliques et deux fentes. 23 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 4. La ligne bande (stripline) est assez volumineuse puisqu’elle fait intervenir un second plan de masse. 2.3 Approche théorique de la ligne microbande Notre objectif n’est pas ici de vous exposer la théorie des lignes microbandes bien qu’intéressante, mais plutôt de vous donner les informations nécessaires à la compréhension des phénomènes de propagation qui apparaissent dans ce genre de structures. Tout d’abord, il est essentiel de connaître leurs paramètres caractéristiques (voir figure 2) : 1. Pour le substrat, son épaisseur h et sa permittivité relative complexe : ε* r = ε r − j ε i = ε r (1−tanδ). La partie réelle ²r est le constant diélectrique du matériau tandis que la partie imaginaire caractérise ses pertes. 2. Pour la bande métallique, sa largeur W qui est en général de l’ordre de grandeur de h (0.1 · Wh · 10) et son épaisseur t (35μm). La difficulté d’étude de la propagation dans une ligne microbande provient du fait qu’elle s’effectue à la fois dans le substrat et dans l’air comme le montre la distribution des lignes de champ électrique sur la figure 3. Pour des fréquences faibles, la propagation des champs est du type TEM (Transversal Electric & Magnetic). En d’autres termes les champs électrique et magnétique n’ont pas de composantes suivant la direction de propagation de l’onde. Figure 2 : La ligne microstrip et ses paramètres caractéristiques 24 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 3 : Lignes de champ électrique d’une ligne microstrip L’onde électromagnétique se propage à la fois dans l’air et dans le diélectrique ; deux milieux d’indices différents (Air : ε r = 1, Diélectrique : ε r = 9.9). Pour rendre compte de ce phénomène, la ligne microbande réelle se modélise par une ligne fictive où la propagation s’effectuerait dans un milieu homogène de constant diélectrique équivalente ²e selon le schéma de la figure 4 : Figure 4 : Modélisation de la ligne micro ruban Hammerstadt et Jansen donnent la formulation empirique du constant diélectrique de ce milieu fictif en fonction des paramètres caractéristiques des milieux réels : d 60 2 Zc r eff r 1 r 1 2 h 1 10 2 w 1 2 La vitesse de propagation de l’onde est alors donnée par : C eff Il faut noter que la constante diélectrique effective e f f dépend généralement de la fréquence. 25 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 3 : Circuits micro-ondes I. Circuit a deux accès 1. L’atténuateur 1.1. Fonctionnement L’atténuateur idéal est un quadripôle réciproque, dissipatif parfaitement adapté. En conséquence, sa matrice S s’écrit : 0 S S12 S12 0 avec S12 1 Lorsqu’un tel quadripôle est inséré entre deux charges égales à la résistance de normalisation, l’atténuation introduite vaut : A = 20 log|S21| dB En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’un déphasage parasite voire d’une dépendance en fonction de la fréquence. 1.2. Technologie Les atténuateurs micro-ondes peuvent être fixes ou variables voire commandables par un signal logique suivant la technologie et la topologie employées pour les concevoir. 1.2.1. Eléments localisés Les structures les plus courantes sont les structures en pi et en té. Figure 2-1 : Topologies d’atténuateurs résistifs 26 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Les valeurs des résistances sont fonction de l’atténuation souhaitée et des impédances de fermeture. Pour la structure en pi: 1 Z in 1 Z2 Z out Z1 Z3 Pour la structure en té : A 1 Z3 A 1 A 1 Z3 A 1 2 A A 1 Zin Z out A 1 Z1 Z in Z3 A 1 Z 2 Z out Z3 A 1 Z3 A 1 2 Zin Z out A A 1 Si on souhaite une plus grande latitude dans le choix des composants, ou une puissance dissipée plus importante, la structure en té ponté peut être utilisée : 27 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-2 : Atténuateur en té ponté 1.2.2. Guide d’onde Un guide d’onde sous la coupure met en jeu des ondes évanescentes dont l’atténuation dépend de la fréquence de travail et de la distance parcourue. En faisant varier cette distance par des dispositifs micrométriques on règle avec précision l’atténuation introduite dans le signal. 1.2.3. Circuits intégrés Les transistors MESFET utilisés dans les circuits intégrés MMIC peuvent être utilisés comme résistance commandable pour former des atténuateurs en pi ou en té. 1.3. Applications Voici une liste non exhaustive des applications d’un atténuateur. 1.3.1. Protection d’un appareil de mesure Un atténuateur peut être utilisé pour protéger un dispositif contre les trop fortes puissances. Il est courant d’introduire une telle protection dans une chaîne de mesure où les récepteurs sont toujours limités en puissance d’entrée (analyseur de spectre, analyseur de réseau vectoriel). Figure 2-3 : Protection d’un appareil de mesure 1.3.2. Masquage d’une désadaptation 28 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n En introduisant un atténuateur en amont d’un dispositif désadapté (de manière permanente ou accidentelle), on affaiblit le signal réfléchi ce qui a pour effet d’améliorer la protection de la source. Figure 2-4 : Masquage d’une désadaptation L’inconvénient réside dans l’affaiblissement simultané du signal réfléchi mais également du signal incident. 2. Le déphaseur 2.1. Fonctionnement Le déphaseur idéal est un quadripôle réciproque non dissipatif, parfaitement adapté. Sa matrice S est donc de la forme : exp( j ) 0 S exp( j ) 0 Lorsqu’un tel déphaseur est inséré entre deux charges égales à la résistance de normalisation, le déphasage introduit vaut : Arg (S21)= . En pratique on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation parasite, voire d’une dépendance en fonction de la fréquence. 2.2. Technologie Les déphaseurs microondes peuvent être fixes ou variables voire commandables par un signal logique suivant la technologie et la topologie employées pour les concevoir. 2.2.1. Eléments localisés 29 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Les structures en pi, passe haut ou passe bas permettent d’apporter un déphasage positif ou négatif. Figure 2-5 : Topologie de déphaseurs 2.2.2. Eléments distribués Aux fréquences micro-ondes, les dimensions du circuit ne sont ni très petites devant la longueur d’onde (comme c’est le cas aux basses fréquences), ni très grandes (comme c’est le cas en optique). Un déphasage significatif est donc apporté dès que le signal se propage sur quelques centimètres. On comprend bien qu’un tronçon de ligne de transmission permet de réaliser cette fonction. Un câble coaxial dont le diélectrique central possède une permittivité diélectrique relative de 2.1 apporte un déphasage de 90 à 1 GHz s’il mesure 5.2 cm. ë 2.2.3. Circuits intégrés Les topologies utilisées en éléments localisés sont directement transposables, dans leur principe, aux circuits intégrés MMIC. 2.3. Applications Un déphaseur 90° peut être utilisé dans un modulateur hyperfréquences pour générer deux signaux en quadrature. 30 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-8 : Modulateur QAM Ce type de modulateur se retrouve par exemple dans les émetteurs de radiocommunications spatiales ou terrestres. On le retrouve également dans la partie démodulation des récepteurs correspondants. 31 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 3. L’isolateur 3.1. Fonctionnement L’isolateur idéal est un quadripôle dissipatif parfaitement adapté. Si on prend la convention d’un transfert d’énergie de l’accès 1 vers l’accès 2, sa matrice S s’écrit : 0 0 S 1 0 Par définition, un tel dispositif est non réciproque puisqu’il transmet parfaitement le signal dans un sens, alors qu’il l’atténue infiniment dans l’autre sens. En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation dans le sens direct, d’une atténuation non infinie dans le sens inverse et d’une dépendance en fonction de la fréquence. 3.2. Technologie 3.2.1. Technologie hybride Les isolateurs passifs sont réalisés à partir de morceaux de ferrites montés sur support et connectorisés. Les ferrites sont des matériaux dont le comportement dépend de l’orientation du champ électrique qui lui est appliqué. 3.2.2. Circuits intégrés On peut utiliser les S12 des transistors MESFET pour réaliser des isolateurs MMIC qui ont l’avantage d’avoir une taille réduite mais présentent l’inconvénient d’accepter une puissance relativement faible sous peine de destruction. 3.3. Applications La principale application d’un isolateur consiste à protéger une source d’un circuit de charge éventuellement désadapté. 32 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-9 : Protection d’une source avec un isolateur idéal Un isolateur idéal apporte une protection parfaite de la source sans affaiblir le signal incident. En pratique on tient compte des imperfections de cet isolateur. On suppose que sa matrice S s’écrit sous la forme suivante : 20dB 0 S 1 dB 0 On obtient alors le diagramme de transfert de puissance suivant : Figure 2-10 : Protection d’une source avec un isolateur réel 33 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n II. Circuits à trois accès 1. Le circulateur 1.1. Fonctionnement Un circulateur idéal est un hexapôle non dissipatif parfaitement adapté. Sa matrice S s’écrit : 0 0 1 S 1 0 0 0 1 0 La distribution des signaux est conforme à la figure suivante : Figure 2-11 Circulateur idéal En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation dans le sens direct, d’une isolation non infinie dans le sens inverse et d’une dépendance en fonction de la fréquence. 1.2. Technologie D’un point de vue technologique, le circulateur met en oeuvre des techniques identiques à celles utilisées pour les isolateurs. Très souvent, les isolateurs hybrides sont constitués de circulateurs dont l’un des accès est chargé par 50 ohms. 34 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-12 : Equivalence entre circulateur chargé et isolateur Suivant les imperfections de la charge, l’isolation équivalente varie de la façon suivante : Figure 2-13 : Dépendance de l’isolateur en fonction de la charge 1.3. Applications Voici une liste non exhaustive des applications mettant en jeu des circulateurs. 1.3.1. Duplexage 35 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Deux circulateurs peuvent être utilisés pour partager une antenne entre un émetteur et un récepteur. Figure 2-14 : Duplexeur L’isolation entre émetteur et récepteur peut être relativement importante (30 à 40dB). 1.3.2. Amplification à résistance négative Aux fréquences élevées, les composants actifs ne sont pas toujours disponibles et les amplificateurs peuvent être réalisés à partir de dispositifs à résistance négative à base de diodes Gunn par exemple. Figure 2-15 : Amplification à résistance négative 36 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2. Diviseurs. Combineurs de puissance 2.1. Fonctionnement Les diviseurs et combineurs de puissance sont des dispositifs possédant au minimum trois accès. Lorsqu’ils sont utilisés en diviseurs, il y a un accès d’entrée et deux ou plusieurs accès de sortie. Les accès de sortie peuvent être isolés ou non. Lorsqu’ils sont utilisés en combineurs, il y a deux ou plusieurs accès d’entrée et un accès de sortie. Pour le cas particulier d’un dispositif à 3 accès, la matrice S d’un diviseur de puissance idéal dont les accès sont isolés est la suivante (s’ils ne le sont pas, les paramètres S 32 et S23 sont non nuls): 0 S S21 S 31 S21 0 0 S31 0 0 La convention prise pour les accès est la suivante : Figure 2-16 : Diviseur de puissance Pour un combineur de puissance à 3 accès, la matrice S s’écrit : 0 S 0 S 31 0 0 S32 S31 S32 0 La convention prise pour les accès est précisée dans la figure ci-dessous. 37 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-17 : Combineur de puissance Si l’isolation entre les accès 2 et 3 (dans le cas de l’utilisation en diviseur de puissance) n’est pas infinie, le paramètre S23 est non nul. Les paramètres S23 et S32 ne sont nuls que si les accès 2 et 3 sont isolés. Ces circuits sont généralement réversibles mais l’analyse de leur comportement lorsqu’ils sont utilisée en combineurs de puissance n’est simple, en général, que si les signaux à recombiner ont même amplitude et même phase. Dans le cas contraire, il faut faire le calcul littéral à partir de l’expression des ondes incidentes et réfléchies. 2.2. Technologie 2.2.1. Diviseur résistif En éléments localisés, on peut utiliser la structure symétrique suivante : Figure 2-18 : Diviseur de puissance résistif 38 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Lorsque ce dispositif est utilisé entre des charges 50 , on peut montrer (en calculant l’impédance d’entrée du circuit à un des accès lorsque les deux autres sont chargés par 50 ohms) que le coefficient de réflexion à l’un des trois accès s’écrit : S11 = S22 = S33 =( R – (50 / 3))/( R+50) La transmission entre deux des trois accès se calcule en fermant l’un des accès sur 50 ohms et en calculant le transfert de puissance entre les deux autres (avec la matrice chaîne par exemple) : S21 = S31 = S32 =100 /(3(R+50) ) Si on choisit des résistances égales à 16.7 , la matrice S devient : 0 S 1 2 1 2 1 2 0 1 2 1 2 1 2 0 Quel que soit l’accès utilisé, la puissance appliquée à cet accès est parfaitement divisée entre les deux autres accès, sans aucune réflexion parasite. Ceci s’effectue au détriment de la moitié de la puissance incidente qui est dissipée dans les résistances internes au circuit. Les accès de sortie ne sont pas isolés. Figure 2-19 : Bilan de puissance 2.2.2. Diviseur combineur Wilkinson 39 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n En éléments distribués, on utilise la jonction de Wilkinson : Figure 2-20 : Diviseur de Wilkinson La matrice S s’écrit : 0 S 1 2 1 2 1 2 0 0 2 0 0 1 Lorsqu’il est utilisé en diviseur de puissance, ce circuit est sans pertes malgré la résistance de 100 ohms entre les accès 2 et 3. Ceci provient du fait que les deux signaux arrivant aux accès 2 et 3 ont même amplitude et même phase ce qui conduit à une chute de potentiel nulle à travers la résistance. Les accès de sortie de ce diviseur sont isolés. 2.3. Applications 2.3.1. Boucle à verrouillage de phase On cherche à prélever une partie du signal d’un oscillateur pour l’asservir. 40 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-21 Prélèvement de puissance pour un asservissement Le calcul des résistances doit tenir compte de la puissance maximum admissible par la PLL qui se situe souvent autour de 0 dBm. 2.3.2. Amplification de puissance On peut combiner deux signaux issus d’amplificateurs pour obtenir une puissance de sortie plus importante, tout en utilisant les amplificateurs dans leur zone linéaire. Figure 2-22 : combinaison de puissance 41 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III. Circuits à quatre accès 1. Coupleur bidirectionnel 1.1. Fonctionnement Les coupleurs bidirectionnels sont des dispositifs à 4 accès permettant de prélever une fraction calibrée de la puissance incidente et réfléchie. La matrice S idéale d’un tel coupleur que l’on suppose réciproque et adapté s’écrit de façon générale: 0 S12 S S13 S14 S12 0 S32 S14 S13 S23 0 S34 S14 S24 S34 0 La convention prise pour les accès est la suivante : Figure 2-23 : Coupleur bidirectionnel Si on fait l’hypothèse que le circuit est sans pertes, la condition d’unitarité de la matrice S s’applique : St .S* 1 En développant, on obtient : 42 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S12 2 2 S12 2 S13 2 S 14 S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n S13 S14 1 2 2 S 23 S 24 1 2 2 S 23 S34 1 2 2 S 24 S34 1 2 2 En soustrayant 2 à 2 les deux premières équations puis les deux dernières, il vient : 2 2 2 2 S S S S 13 14 23 24 2 2 2 2 S S S S 23 14 24 13 On en déduit : S14 S23 En introduisant cette relation dans le système d’équations issu de la relation d’unitarité, on aboutit à : S12 2 2 S12 2 S13 2 S 14 S13 S14 1 2 2 S14 S 24 1 2 2 S14 S34 1 2 2 S 24 S34 1 2 2 Les deux premières équations conduisent à : S13 S24 Cette nouvelle égalité permet de faire évoluer le système d’équations vers : S12 2 S13 2 S14 2 1 2 2 2 S13 S14 S34 1 43 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e Com d e m u n i c a t i o n Ce qui permet d’écrire : S12 S34 En résumé, un coupleur bidirectionnel présente donc les caractéristiques suivantes : S14 S23 S13 S24 S S 34 12 La première propriété est la symétrie de couplage. La troisième est la symétrie d’isolation. D’un point de vue terminologie on introduit les notions suivantes : Pertes d’insertion S31, S13 Couplage S41 , S32 Isolation S21 , S43 Directivité S41 / S21 1.2. Technologie 1.2.1. Guides d’ondes Deux tronçons de guide d’onde rectangulaire sont superposés pour réaliser le dispositif à 4 accès. Le couplage énergétique entre les deux guides est réalisé à l’aide de trous dont la forme, l’espacement et la position détermine les caractéristiques électriques. 1.2.2. Coupleur microstrip Deux tronçons de lignes microstrip sont gravés sur un substrat. Figure 2-24 : Coupleur microstrip 44 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le couplage électromagnétique entre les deux lignes est fonction de la longueur l du coupleur, de la largeur w des lignes microstrip qui le composent et de l’espacement entre ces lignes. Comme tout calcul analytique exact est impossible, les dimensions sont calculées soit à l’aide de formules empiriques soit par des techniques d’analyse numérique. 1.3. Applications Les applications des coupleurs bidirectionnels utilisent le fait que la fraction de puissance prélevée est très faible (-10 dB, -20 dB), ce qui ne perturbe quasiment pas la voie directe. 1.3.1. Contrôle de niveau, asservissement Un coupleur directionnel permet de prélever une partie de la puissance émise par une source soit pour l’afficher après compensation des coefficients de couplage, soit pour générer un signal d’asservissement. Figure 2-25 : Contrôle de niveau et asservissement 1.3.2. Mesure d’un coefficient de réflexion Le coupleur bidirectionnel est symétrique, ce qui assure l’égalité des coefficients de couplage S41 et S32. Le montage suivant permet donc de mesurer le coefficient de réflexion d’une charge en évaluant le rapport des signaux et . 45 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2-26 : Mesure d’un coefficient de réflexion 46 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e III. Circuits d e Com m u n i c a t i o n actifs 1. Filtres hyperfréquences 1.1 Introduction Dans ce chapitre, nous allons donner quelques éléments de synthèse des filtres en hyperfréquences à l'aide d'éléments répartis constitués par des lignes de propagation. Ce chapitre se décompose en deux parties : Rappel des fondamentaux pour la synthèse des filtres Synthèse en hyperfréquences à l'aide de lignes. 1.2 Méthodes de synthèse générale La figure ci-dessous décrit la méthode classique de synthèse de filtres en utilisant des fonctions analytiques (Legendre, Tchebycheff, Cauer, Butterworth, ...) Elle se décompose en six étapes avec deux variantes : 1. Définition du gabarit du filtre à réaliser (filtre en projet) avec normalisation de la fréquence. 2. Transposition pour obtenir le gabarit du filtre Passe-bas prototype. 3. Fonction de transfert du filtre prototype, calculée à partir des éléments A min, Amax et k du filtre prototype en utilisant une fonction analytique standard. 4. Elaboration du schéma du filtre prototype. Calcul de la fonction de transfert du filtre en projet en utilisant les formules de transposition de fréquence. 5. Dessin du schéma du filtre en projet avec les éléments normalisés. 6. Dénormalisation et dessin du schéma du filtre en projet réalisé. 47 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Les deux variantes possibles consistent à Elaborer le schéma du filtre prototype avant le calcul de la fonction de transfert Calculer la fonction de transfert du filtre en projet avant le dessin du schéma Ces deux approches donnent évidemment les mêmes résultats. 1.3 Filtres hyperfréquences Le problème est durci lorsque l'on considère le concept de propagation des ondes : la contrainte liée à l'adaptation des filtres en entrée et en sortie est à prendre en compte dès la conception. Dans ce paragraphe, on montre dans un premier temps comment réaliser des inductances et capacités ainsi que les circuits de base associant ces deux éléments. Puis on décrit la topologie des filtres Passe-bas et Passe-Bande. Enfin on explique la synthèse des différents filtres à partir du prototype Passe-Bas. 48 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 1.3.1 Réalisation d'impédances et de circuits accordés avec des lignes micro rubans 1.3.1.1 Equivalence entre un tronçon de ligne et une inductance ou une capacité L'élargissement du ruban augmente la capacité linéique de la ligne (en prenant comme modèle le condensateur plan), permettant ainsi de fabriquer une capacité //. Le rétrécissement du ruban diminue la capacité linéique de la ligne. Cela équivaut à un renforcement de l'inductance linéique, permettant ainsi de fabriquer une inductance série La figure ci-dessous illustre ces propos pour une ligne micro ruban 1.3.1.2 Réalisation d`inductances et de capacités Une inductance série s'obtient par un fort rétrécissement du ruban métallique (figure 4.4). Une inductance parallèle s'obtient en plaçant en dérivation sur la ligne principale un tronçon de ligne en court-circuit (figure 4.5). Une capacité parallèle s'obtient par un fort élargissement du ruban métallique (figure 4.6). 49 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Une capacité série est plus délicate à réaliser. Une méthode consiste à couper la ligne sur une très petite longueur (quelques µm à quelques dizaines de µm). Cependant, on se heurte à des problèmes de modélisation ainsi qu'à des problèmes de réalisation avec des dimensions de fente très faibles. Cette technique est donc peu utilisée. On se reporte sur une technique d'inversion d'impédance abordée plus loin 1.3.1.3 Inversion d'impédance pour la réalisation des capacités série L’impédance Ze vue à l’entrée d’une ligne de longueur d’impédance caractéristique Zc terminée par une impédance de charge ZL s’écrit : Z e 50 Z c2 ZL M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t L’impédance Ze vue à l’entrée d’une ligne S y s t è m e 1 Z c2 jL jC d e Com C m u n i c a t i o n L Z c2 1.3.1.4 Réalisation de circuits résonnants et antirésonnants La difficulté de réaliser des capacités série rend difficile la réalisation de circuits résonnants série directement. Nous utiliserons dans ce cas des lignes /4. Les associations réalisées sont : Circuit résonnant série placé en parallèle sur la ligne microruban (voir figure 4.8). Circuit résonnant parallèle placé en parallèle sur la ligne microruban (voir figure 4.9). Circuit résonnant série placé en série sur la ligne microruban (voir figure 4.10). Circuit résonnant parallèle placé en série sur la ligne microruban (voir figure 4.11) 51 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S 52 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com 1.3.2 Topologie des filtres Passe-bas en technologie microruban Le schéma de la figure 4.12 présente le schéma d'un filtre Passe-Bas. 53 m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Par symétrie, si l'impédance aux deux accès du filtre est la même, les inductances L même valeur. Il en est de même pour C2 et C4. 1.3.3 Topologie des filtres Passe-bande en technologie microruban La figure ci-dessous présente le schéma d'un filtre Passe-bande composé de cinq cellules Sa réalisation en technologie micro ruban fait appel à la technique des lignes /4. On obtient alors le schéma de principe de la figure 4.14. Les différents tronçons sont réalisés conformément aux schémas des figures 4.9 pour les éléments résonnants en parallèle et 4.10 pour les éléments résonnants en série. 1.3.4 Synthèse des filtres Passe-bas. C'est en effet un passage obligé quel que soit le type de filtre conçu Dans ce cours, nous n'aborderons que la synthèse à l'aide de fonctions de Butterworth avec l'hypothèse suivante : L'impédance des deux accès est la même Z 1.3.4.1 Fonction de Butterworth 54 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n A(dB) 10 Log 1 C La fonction d'atténuation de Butterworth s'écrit 2n W C : pulsation de coupure à 3sdB ; n : ordre du filtre. Toutes les courbes correspondant à cette fonction passent par le point défini par (c)=1 et A = 3 dB. Au-delà de ce point, leur pente est d'autant plus grande que n est plus élevé (voir figure 4.15). 1.3.4.2 Calcul des éléments Lk et Ck Les inductances Lk et les capacités Ck du filtre s'expriment en fonction de Z0, de c et d'un paramètre gk par : Lk R1 c Ck gk 1 1 gk R1 c Les valeurs des paramètres gk sont données dans le tableau 4.1 en fonction de l'ordre n et de l'atténuation A en dB du filtre. K\n 1 2 3 4 2 1,414 1,414 3 1 2 1 4 0,7654 1,848 1,848 0,7654 5 0,618 1,618 2 1,618 55 6 0,5176 1,414 1,932 1,932 7 0,445 1,247 2,802 2 8 0,3902 1,111 1,663 1,962 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e 5 6 7 8 0,618 d e Com 1,414 0,5176 m u n i c a t i o n 1,802 1,247 0,445 1,962 1,663 1,111 3,3902 1.3.5 Transposition aux filtres Passe-haut et Passe-bande La conception de ces filtres fait appel aux calculs effectués pour les filtres Passe-bas. La méthode consiste, comme on l'a vu au §2, à systématiquement concevoir les filtres à partir d'un filtre Passe- bas prototype après transposition. Il s'agit donc ici d'effectuer les correspondances entre les éléments des filtres Passehaut ou Passe-bande et ceux du filtre Passe-bas prototype. Nous noterons "les pulsations relatives aux filtres Passe-haut ou Passe-bande et Ck ; Lk les éléments de ces filtres. 1.3.5.1 Filtres Passe-haut Pour réaliser un filtre Passe-haut à partir d'un filtre Passe-bas, il suffit de remplacer les inductances par des capacités et vice-versa (voir figure 4.16) Nous passons de la structure Passe-bas, avec impédances en série Lk et impédances en parallèle 1 / Ck, à la structure Passe-haut, avec impédances en série 1/ Ck et impédances en parallèle Lk La transposition des résultats obtenus pour la structure Passe-bas consiste à traduire le fait que pour le domaine de pulsation correspondant à chaque filtre, l'impédance des éléments série et parallèle est identique, soit : Ck / Lk 1 = et k k L C / = 1 . 56 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2. Amplificateurs hyperfréquence 2.1 Théorie de conception des amplificateurs La figure 1 illustre la structure générale d'un amplificateur. Elle comprend un dispositif actif (en général un transistor), caractérisée par ses paramètres S et entouré de part et d'autre par des réseaux d'adaptation d'impédance. L'étude de ce schéma nous permet de déterminer les grandeurs importantes permettant de caractériser un amplificateur, notamment, le gain, le facteur de bruit, la stabilité. Figure 1 : Configuration générale d'un amplificateur 2.2 Gain dans un amplificateur 2.2.1. Gain de transfert Le gain de transfert ou encore gain transduscique correspond au rapport entre la puissance délivrée à la charge PL et la puissance disponible d'une source PAVS. Z S Z L R0 GT S 21 GT 1 2S 1 S11 S 2 S21 2 1 2L 1 Sout L 2 2 G1G0G2 (1) Avec : G0 S 21 2 ET G1 1 2S 1 S11 S 57 2 ET G2 1 2L 1 Sout L 2 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Γout est le coefficient de réflexion à la sortie du quadripôle lorsque celui-ci est terminé par une impédance ZS correspondant au coefficient de réflexion ΓS. Ces coefficients sont donnés par : S12 S21 L 1 S22 L S S S 22 12 21 S 1 S11 S in S11 (2) out (3) Remarque Si Z S Z L R0 , alors GT S21 2 2.2.2 Gain disponible Le gain disponible GA ou gain associé est égal au gain transduscique lorsque la sortie du quadripôle est adaptée. Il est obtenu en posant ΓL = Γout * dans l'équation (1) : GA 1 2S 1 S11 S 2 S21 2 1 2 1 out (4) Ce gain est maximum lorsque l'entrée et la sortie sont adaptées simultanément. On défi nit alors le gain maximum disponible (MAG, (Maximum Available Gain)), obtenu en posant ΓL = Γout *et ΓS = Γin * dans l’équation (1). MAG 1 S 2 in * 2 in 1 S11 2 21 1 2 out 1 S 2 in * 2 out 1 S22 2 21 1 2 in (5) Remarque : Si Z S Z L R0 , alors in 0 et le gain disponible devient : MAG S21 2 1 S22*out 2 S G 21 K K 2 1 T S 12 (6) 58 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.3. Stabilité d'un amplificateur La stabilité dont il est question dans cette partie correspond à la stabilité définie par rapport aux impédances de charges (ZS ; ZL ; GS et GL). En effet l'adjonction des réseaux d'adaptation d’entrée et de sortie peut parfois introduire des problèmes de stabilité et l'amplificateur peut se mettre à osciller, c'est pourquoi il est important d'étudier la stabilité du système. 2.3.1. Définition Un amplificateur est inconditionnellement stable si les parties réelles des impédances d'entrée et de sortie de l'amplificateur sont supérieures à zéro à une fréquence quelle que soit l'impédance de source et de charge. En termes de coefficients de réflexion, cette condition revient à poser l'inégalité suivante : 1 et L S 1 , on a in 1 et out 1 Un amplificateur est conditionnellement stable si : 1 et L S 1 , on a in 1 et out 1 Pour définir le critère de stabilité, on étudie le lieu de la limite de stabilité définie par Γout =1 et Γin =1 Après analyse : · Le lieu Γin =1 est un cercle de centre OCL et de rayon RCL; OCL S RCL S11* * 22 S22 2 (6) 2 S 21 S12 S 22 2 (7) 2 Le lieu out =1 est un cercle de centre OCS et de rayon RCS; OCS S RCS * S22 * 11 S11 2 (8) 2 S21 S12 S11 2 (9) 2 Avec S 11S 22S 12S 21. 59 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le lieu de stabilité est ainsi défini soit à l'intérieur soit à l'extérieur de ces cercles correspondants au domaine de stabilité. L'analyse graphique de la stabilité se fait par le tracé des cercles de stabilité pour l'entrée de l'amplificateur. On distingue quatre cas de figures correspondant à deux inégalités : · |S 11| < 1 : La zone contenant le centre de l'abaque de Smith est stable (Figure 2). Figure 2 : Zones de stabilité pour |S 11| < 1 · |S 11| >1 : La zone contenant le centre de l'abaque de Smith est instable (Figure 3). 60 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 3 : Zones de stabilité pour |S 11| >1 2.3.2. Analyse de la stabilité inconditionnelle Dans le fonctionnement inconditionnellement stable d'un amplificateur, on veut que tout l'intérieur de l'abaque de Smith entraîne un comportement instable pour le quadripôle (pour l'entrée et la sortie). Les inégalités exprimées plus haut peuvent s'écrire en fonction des paramètres S du quadripôle, à l'aide du facteur de Rollet K : On peut donc montrer que les conditions nécessaires pour assurer la stabilité inconditionnelle d'un amplificateur sont celles-ci : 2 2 1 S S 2 11 22 K 2S S 12 21 (10) Si ces conditions ne sont pas vérifiées, l'amplificateur est conditionnellement stable et il faut donc tracer les cercles de stabilité. S11 1, S22 1etK 1 61 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.3.3. Adaptation en puissance simultanée entrée – sortie Généralement, la puissance à l'entrée d'un système est fixée par le calcul du bilan de liaison. Il est donc important de maximiser le gain de l'étage amplificateur afin de minimiser le nombre d'étages de la chaîne amplificatrice. Ceci revient à trouver les impédances Z1 = Zin * et Z2 = Zout * à présenter à l'entrée et à la sortie du transistor afin de garantir le transfert maximum de puissance de la source vers la charge et de la puissance disponible du quadripôle. L'adaptation simultanée entrée-sortie n'est possible que si le quadripôle est inconditionnellement stable (K>1). Le gain transduscique s'exprime alors par : S G 21 K K 2 1 T S 12 (11) Dans le cas où le quadripôle est conditionnellement stable, le gain est maximum pour des valeurs de ΓS_max et ΓL_max qui sont à l'extérieur de l'abaque de Smith et donc qui ne sont pas réalisables à l'aide d'éléments passifs. Il est donc inutile de chercher à obtenir le gain maximum par adaptation complexe conjugué. Les terminaisons de sources et de charges permettant de satisfaire le critère de stabilité conditionnel ne donneront qu'un gain inférieur au gain maximum absolu. On définit alors les cercles à gains constants qui permettent de déterminer les lieux des points dans le plan ΓS et ΓL pour lesquels les gains G1 et G2 sont constants, lieux qui décrivent un cercle de centre OS et de rayon RS en entrée et un cercle de centre OL et de rayon RL en sortie: RS OS RL OL 1 G1 1 S11 1 G1 S11 2 (12) S11* (13) 1 G2 1 S 22 1 G2 S 22 2 2 2 (14) * S 22 (15) 1 G2 S 22 G2 2 1 G1 S11 G1 2 62 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.3.4. Cercles de bruit et adaptation en bruit Il est possible de minimiser la contribution en bruit du transistor en lui présentant à l'entrée une impédance de source telle que ΓS= Γopt. Ceci est toujours possible si le transistor est inconditionnellement stable (K>1). Dans ce cas, la sortie peut être adaptée en puissance en choisissant ΓL =Γout*. Dans le cas d'un transistor conditionnellement stable, il faut choisir Γ opt dans la région stable de l'abaque de Smith. Si ce n'est pas le cas, il faut choisir S G dans la région stable au prix d'un facteur de bruit supérieur au minimum. Ensuite la sortie est adaptée en puissance en prenant une impédance de charge située dans la zone stable du cercle de stabilité de la charge. Le lieu des points pour lesquels le facteur de bruit F est constant correspond à un cercle de centre Cfb et de rayon Rfb. C fb R fb opt (16) 1 N N 2 N 1 opt 2 (17) 1 N Avec : 2 F Fmin N 1 opt 4rn Le tracé de ces cercles permet de chiffrer la dégradation du facteur de bruit lorsque le coefficient de réflexion présenté à l'entrée s'éloigne de la charge optimale. 63 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n CHAPITRE 4 : PRESENTATION DU LOGICIEL ADS ET TRAVAUX PRATIQUE 1. Présentation ADS 1.1 Introduction Advanced Design System (ADS), développé par Agilent EEsof EDA, est un logiciel de conception et modélisation de systèmes électroniques pour les micro-ondes et les radiofréquences. Les applications visées sont très vastes et comprennent en autre le domaine de la téléphonie mobile, les pagers, les réseaux sans fil, les systèmes de communications radar et satellite. Le logiciel offre des possibilités de conception et de simulation pour les domaines des radiofréquences et des micro-ondes et se divise en 2 modules Analogue RF Designer et Digital Signal Processing Designer pouvant interagir entre eux : • La conception de circuits intégrés monolithiques (MMICs) ou hybrides (avec des Composants Montés en Surface). • La conception de nouvelles architectures pour les futures normes de télécommunications sans fils. 1.2 Interface du logiciel 64 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S 65 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 1.2 Projets 1.2.1 Projets ADS utilise des projets (extension _prj) pour organiser automatiquement les données issues de la création, de la simulation ou de l’analyse d’un nouveau design. Un projet inclue le circuit, le layout, la simulation et les résultats d’un design créé à partir de la fenêtre principale (main) qui apparaît lors de l’ouverture de ADS. Un projet se compose des répertoires suivants : • Data : contient les données de simulation ou dataset (nom.ds) • Mom_dsn : contient les design et données de simulation issus de momentum • Networks : contient les fichiers de design ou pages schematic (nom.dsn) et les fichiers de layout des circuits (nom_layout.dsn) • Synthesis : contient les données de synthèse DSP • Vérification : contient les données issues du DRC Les résultats (graphe, abaque de Smith, etc. . . .) se visualisent dans une fenêtre "data display" et sont sauvegardés dans un fichier nom.dds au niveau de la racine du projet (invisible à partir de la fenêtre principale). 1.2.2 Créer un projet L’opération de création d’un nouveau projet est représentée par la figure I.2.3. Elle s’effectue à partir de la fenêtre principale. 66 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n FIG. I.2.3 – Création d’un nouveau projet 1.2.3 Ouvrir un projet Pour ouvrir un projet, on peut utiliser les deux procédures suivantes : • Choisir le menu File/Open Project puis utiliser la boîte de dialogue pour localiser le projet à ouvrir • Utiliser l’explorateur de la fenêtre principale pour localiser le projet et double cliquer pour l’ouvrir (figure I.2.4) Attention : seulement un projet peut être ouvert à la fois. Il est donc recommandé de sauvegarder les données du projet courant avant d’en ouvrir un autre. FIG. I.2.4 – Ouvrir un projet existant 67 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 1.3 Design 1.3.1 Design ADS utilise des fichiers design (nom.dsn) pour enregistrer les circuits de simulation et les layout. Un fichier de design est une page schematic à partir de laquelle il est possible de : • Créer et modifier des circuits et layout • Ajouter des équations et des variables • Placer et modifier des composants et leurs contrôles • Ajouter des commentaires sous forme de texte • Générer un layout à partir du schematic (et réciproquement) 1.3.2 Créer un Design FIG. I.3.5 – Fenêtre design – schematic L’ouverture d’un nouveau projet implique automatiquement l’ouverture d’une nouvelle page schematic qui sera sauvegardée dans le répertoire networks. Pour créer un nouveau design (cf. figure I.3.5), il est possible d’utiliser les deux procédures suivantes : • Menu Window/New Schematic dans la fenêtre principale • Menu File/New Design dans la fenêtre principale et donner le nom de fichier à créer 68 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Il est ensuite possible d’insérer les éléments (composants, données, sources, boîte de simulation et de contrôle, . . .) disponibles dans les bibliothèques du logiciel. La figure I.3.6 représente l’insertion dans la fenêtre schematic d’un module complet de simulation des paramètres S en deux ports (menu Insert\Template\S_params). Le logiciel insère directement toutes les boîtes nécessaires pour mener à bien la simulation à savoir deux ports Term par défaut d’impédance 50 , une boite de commande des paramètres S et d’un module d’affichage des quatre paramètres (Template). FIG. I.3.6 – Insertion d’un bloc de simulation des paramètres S Il est également possible d’insérer séparément chacun des éléments de la figure I.3.6 en allant les chercher dans la bibliothèque Simulation S_param. 1.3.3 Ouvrir un Design Un design existant peut s’ouvrir : – A partir de la fenêtre principale dans le menu File/Open Design – En utilisant l’explorateur pour localiser, sélectionner et double cliquer sur le design pour l’ouvrir – A partir de la fenêtre schematic dans le menu File/Open Design 69 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 1.4 Simulation dans ADS 1.4.1 Simulation d’un design ADS fournit tous les éléments de contrôle pouvant être ajoutés et configurés dans la fenêtre schematic pour simuler les caractéristiques du design. La figure I.3.6 montre un élément S-PARAMETERS qui permet de simuler les paramètres S d’un circuit. Cet élément est soit automatiquement inséré dans le schematic si un module prédéfinit est utilisé soit disponible dans la bibliothèque "Simulation-S_Param". La simulation se lance en cliquant sur l’icône appropriée ou en allant dans le menu Simulate. FIG. I.4.7 – Simulation sous ADS 1.4.2 Visualisation des résultats A la fin de la simulation, le logiciel ouvre une page de présentation (data display) dans laquelle les courbes (graphique linéaire/log, abaque de Smith, etc . . .) peuvent être tracées (cf. figure I.4.8). Il est également possible de positionner un marker sur les courbes (Insert Marker) afin de visualiser les coordonnées d’un point précis. 70 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n FIG. I.4.8 – Aperçu d’une page de présentation 1.4.3 Optimisation d’un design L’optimisation d’un design est une procédure permettant de modifier la valeur de variables pour qu’elles satisfassent un objectif défini auparavant. L’optimisation dans ADS permet de comparer les résultats simulés à l’objectif et modifie les valeurs des variables pour qu’elles se rapprochent le plus possible de l’objectif à atteindre. Pour effectuer une optimisation, il est nécessaire d’insérer les éléments suivants dans la page schematic (cf. figure I.4.9) : • Au moins un paramètre identifié dans le circuit comme étant une variable nommée "Var eqn" (bibliothèque "Data Items") à optimiser (option “opt”) dans un intervalle de valeurs. • Une boîte d’objectif nommée "Goal" (bibliothèque "Optim-Stat-Yield-DOE"). • Une boîte d’optimisation nommée "Optim" (bibliothèque "Optim-Stat-YieldDOE"). Il existe différentes méthodes mathématiques d’optimisation d’un design : Random, Gradient, Quasi-Newton, une combinaison de méthode Gauss-Newton et Quasi-Newton, algorithme direct et génétique... 71 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n D’une manière générale, la méthode Random est utilisée dans un premier temps puis complétée par la méthode Gradient pour affiner l’optimisation. Nota Bene : La réussite de l’optimisation dépend essentiellement de l’aptitude de l’utilisateur à exprimer correctement un objectif à atteindre (goal) suivant une méthode numérique appropriée (optim) et dans un intervalle réaliste de paramètres à ajuster (opt val min to val max). Autrement dit même le plus puissant des algorithmes ne pourront pas donner une réponse adéquate à un paramètre à optimiser entre −1 et +1. Il ne faut jamais oublier que toute simulation numérique à un objectif de conception pratique dans une technologie donnée. Le concepteur doit donc avoir réfléchi préalablement au problème pour aider l’algorithme choisi à converger vers une solution réalisable (éviter typiquement des lignes microruban de 1km de long répondant au problème mathématique !) [3, 4]. FIG. I.4.9 – Outils pour optimiser un design 72 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2. Travaux pratiques : 2.1 Ampli équilibré à 10 GHz 2.1.1 Introduction: Le but de ces travaux pratiques est de prendre en main le logiciel ADS qui est un programme de simulation mais aussi de conception (ce qui veut dire que le logiciel optimise au mieux les valeurs des composants pour l'application désirée). Grâce à ADS nous allons concevoir un ampli équilibré et le simuler. 2.1.2 Court circuit décalé Voici le schéma du projet: Term1 joue le rôle d'une source d'excitation micro-onde équivalent à un générateur avec sa résistance propre (vrai en 1-Port). Cependant lorsqu'on passe Multiport le schéma équivalent devient une source avec sa résistance propre à gauche de la ligne de test (TL) et à sa droite on aura une simple charge. On simule le comportement du circuit et obtenir le paramètre S11(coefficient de réflexion) et on obtient: 73 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S On reconnaît le court circuit y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Et si on enlève la masse à droite de la ligne test et on observe cela : 2.1.3 Self parallèle Schéma: Simulation : 74 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le module de S11 vaut bien toujours 1 cela vient du fait que toute l'énergie est réfléchie car la self est réactive (purement Imaginaire). Conclusion: On peut conclure sur cette partie que les lignes, capacités et selfinductance ne font aucune perte. Ce sont seulement les éléments résistifs qui provoque des pertes. 2.2.4 Self série Schéma: Grâce au bloc S-Parameters on balaye en fréquence est on peut observer Simulation: Interprétation : Pour les fréquences faibles on a S21 =1 et S11=0 75 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Pour les fréquences élevées on a S21 =0 et S11=1 Grâce a la conservation des énergies On peut en déduire la relation (quand il n'y a pas de résistance): |S11|² + |S21|² = 1 Optimisation 1 Comme je l'ai déjà mentionné en introduction nous allons maintenant utilisé la fonction optimisation (bloc OPTIM) en entrant le but recherché (GOAL) équation dans Goal : phasedeg(SP2.SP.S(2,1)) Schéma Simulation 76 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S Perturbation 77 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S Simulation 78 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n puis on re-optimise simulation nous montre que l'on a bien 90° sur le terminal 3 et 2 et donc 180 entre les deux : 79 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e 2.2 Coupleur « Branch Line » -3dB, -90° Schéma: Simulation: Une fois packagé 80 d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S 81 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.3 filtre micro-ondes 2.3.1 Introduction Les dispositifs hyperfréquences sont de plus en plus utilisés de nos jours. Il devient primordial de pouvoir les simuler avec précision avant la réalisation. Le but final est d’avoir un circuit qui, une fois réalisé, fonctionne du premier coup tout en respectant les contraintes du cahier des charges et ce sans aucune retouche. Nous évitons ainsi un surcoût inutile lié à la réalisation d’un grand nombre de maquettes de tests tout en réduisant considérablement le temps de conception. Il est alors possible de maîtriser et de réduire le coût final du produit. Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de disposer d’outils adéquats tels que des logiciels commerciaux de CAO. Pour nos nous avons choisi d’utiliser le logiciel ADS (Advanced Design System) de la société Agilent Technologies. Cet outil est très complet car il permet de faire des simulations de circuits analogiques hyperfréquences, de circuits numériques, de la co-simulation analogique numérique ainsi que des simulations électromagnétiques. Du fait de son fort potentiel, cet outil très complet est de plus en plus utilisé dans le monde de la recherche universitaire et industrielle. Pour espérer obtenir un bon accord entre les simulations et les résultats de mesures, il est indispensable d’utiliser le logiciel à bon escient et de prendre en compte toutes les particularités du circuit à simuler (substrat, discontinuités, …). Le but de cette partie est de décrire l'utilisation de ces outils de CAO en leur apprenant une méthodologie de travail basée sur l'expérience. Après on va présenté des TPs, Le point de départ est un filtre passe-bas réalisé en technologie micro ruban. En l’occurrence, ici, les différences non négligeables entre les simulations et les mesures proviennent d’une non prise en compte des discontinuités géométriques de la structure. 82 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Afin de bien mettre en avant les effets des discontinuités, Ce TP consiste à la simulation d’un filtres HF suivant ces étapes : • 1er étape : Calculs et simulation du filtre en éléments localisés. • 2ème étape : Calculs et simulations du filtre en éléments distribués. • 3ème étape : Génération du masque sous Momentum et simulation électromagnétique. • 4ème étape : Mise en évidence du problème des discontinuités • 4ème étape : Insertion des modèles de discontinuités disponibles sur ADS au niveau du dessin du filtre 2.3.2 Filtre à éléments localises sous ADS Le cahier de charge est sous forme de gabarit comme suite (Fig 1) : Figure 1 : gabarit du filtre A partir de ce gabarit, en déduit aisément l’ordre du filtre (n = 5). Il doit alors programmer les formules de calcul nécessaires à la synthèse de Tchebyscheff et synthétiser rapidement le filtre passe-bas pour, au final, le dessiner sous ADS sous sa forme éléments localisés (Fig. 2). 83 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure. 2 : Synthèse du filtre en éléments localisés A ce stade, il est demandé de faire une simulation en paramètres S et d’afficher les réponses ainsi que les valeurs calculées pour les différentes grandeurs du filtre. Une suggestion de présentation est proposée comme indiqué à la (fig 3). 84 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 2.3.3 Filtre à éléments distribues sous ADS A partir de la synthèse en éléments localisés, il est possible de déterminer les différentes grandeurs du filtre passe-bas en éléments distribués présenté à la figure 4. 85 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure. 4 : Synthèse du filtre en éléments distribués L’impédance des tronçons capacitifs est fixée à 25 Ω. Celle des tronçons inductifs à 120 Ω. Le substrat utilisé est du FR4 (εr = 4.2 ; h 1.52 mm ; t = 35 μm). Avec ces informations et avec l’aide de l’outil LINECALC d’ADS, on peut calculer les largeurs de ligne nécessaires pour atteindre les valeurs de 25 Ω, 50 Ω et 120 Ω. Les longueurs de ligne sont déduites des formules de synthèse reliant les selfs (Lk) et capacités (Ck) aux impédances (Zo), longueurs physiques (lk) et pulsation de coupure (ωc). Une fois les différentes formules programmées et le filtre dessiné (figure 4), l’étudiant simule le filtre et affiche les réponses et la valeur des grandeurs calculées dans la fenêtre de résultats en respectant la présentation suggérée à la figure 5. 86 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure. 5 : Réponses simulées du filtre en éléments distribués 2.3.4 Filtre a éléments distribues sous MOMENTUM Maintenant le dessin de son filtre réalisé sous ADS est exporté vers Momentum afin de générer le masque du filtre. C’est ce masque qui servira de base pour la simulation électromagnétique. Le résultat de la génération du masque est présenté à la (fig 6). Figure. 6 : masque du filtre étudié Une fois la simulation électromagnétique effectuée, l’étudiant est amené à comparer les réponses obtenues via ADS et via Momentum (fig.7). 87 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 7 : comparaison des différentes réponses obtenues A ce stade, nous constatons un accord correct entre les mesures et la réponse simulées sous momentum. Par contre, la comparaison de la réponse mesurée diffère de celle simulée sous ADS lorsque l'influence des discontinuités est négligée. L’étudiant est alors amené à réfléchir sur les raisons pouvant expliquer ce désaccord et comment y remédier. La conclusion est que les modèles circuits utilisés ne prennent pas en compte les discontinuités liées aux sauts d’impédance entre tronçons capacitifs et inductifs. Il est nécessaire de les rajouter sur le dessin du filtre comme indiqué à la (fig. 8). Figure. 8 : dessin du filtre avec prise en compte des discontinuités (Sauts d’impédance) La réponse simulée se rapproche alors de celle simulée sous Momentum et de celle mesurée (Fig. 9). 88 M a s t e r E : l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure. 9 : comparaison des différentes réponses obtenues 2.3.5 Conclusion L'objectif des travaux présentés ici est d'apprendre à utiliser correctement et en connaissance de cause les outils de CAO adaptés aux dispositifs hyperfréquences. Il est ainsi amené à concevoir et à calculer un dispositif simple. Le logiciel ADS est utilisé pour concevoir et simuler des dispositifs hyperfréquences plus complexes tels que : oscillateur, amplificateur faible bande, coupleurs hybrides, … 89 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S C o n c l u s i o n 90 y s t è m e d e g é n é ra l e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e Bibliographie Agilent-ADS http://www.agilent.com/ Ligne micro ruban http://www.esiee.fr/~vasseurc/technologie.html 91 d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Partie B : S U P E R V I S I O N D E S C O M P T E U R S DE CONSOMMATION D’ENERGIE Introduction générale L’énergie électrique est utilisée à grande échelle depuis plus de cent ans et sa facturation aux utilisateurs a été, dès l’origine un souci constant des compagnies productrices et distributrices. Une caractéristique remarquable de l’électricité est d’être une forme d’énergie qui, sauf cas particuliers, ne peut pas être directement stockée. Il est donc nécessaire de produire le courant demandé par les clients au moment même où ceux-ci en ont besoin, la pointe de consommation déterminant la capacité nécessaire des installations de production, de transport et de distribution du courant électrique. Pour limiter le plus possible cette capacité, les compagnies distributrices s’efforcent de proposer aux utilisateurs des prix variables suivant les heures, les jours et les saisons afin de les inciter à moduler leur demande, de façon à régulariser la courbe de charge des réseaux et éviter en particulier de provoquer des pannes générales, comme cela a parfois pu se produire. Les fabricants de compteurs ont donc été amenés à élaborer des systèmes de comptage plus ou moins complexes, gérant des tarifs multiples, qui non seulement enregistrent la consommation d’énergie électrique, mais tiennent compte le mieux possible du prix de revient instantané de cette énergie. Les changements de tarifs sont réalisés par des horloges, des systèmes de télécommande centralisée ou d’autres dispositifs de communication ou de gestion. Les compteurs électromécaniques ont été longtemps les seuls utilisés et ont bien résolu une grande partie des problèmes posés, mais les progrès en cours de l’électronique et de l’informatique ont ouvert la voie à des ensembles moins encombrants et mieux adaptés ou a des systèmes beaucoup plus complexes, capables d’améliorer encore la gestion de l’énergie électrique. Aujourd’hui, il ne suffit plus d’optimiser la productivité et la qualité. L’optimisation de la consommation d’énergie est devenue une tache importante pour les grandes industries. Une consommation d’énergie incontrôlée peut facilement rendre la production improfitable. Avec le prix d’énergie en hausse et les exigences sur l’émission de CO2 plus sévères que jamais, la maîtrise de l’énergie est devenue un critère de succès important de l’entreprise. Dans ce but, HOLCIM a proposer se sujet, système de supervision de la consommation d’énergie. Ce système est un outil de diagnostic qui mesure la consommation 92 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n en temps réel et qui a pour but de comprendre la consommation énergétique de l’entreprise. Basé sur le principe de la surveillance et l’instrumentation de la consommation énergétique, ce système permet de collecter et d’établir des rapports sur les usages en matière de consommation énergétique. La surveillance et la supervision en temps réel des consommations énergétiques vous donne des réponses sur les questions suivantes: Où, quand et pourquoi utilisez-vous de l’énergie? Comment êtes-vous positionnez par rapport aux autres? Qui sont les grands consommateurs? Quelle est la cause des pics de consommation? Que sont les fluctuations de la consommation dans le temps? Quelle est la consommation par produit ou par kg matière? Nous débutant ce rapport par une présentation de la société d’accueil et procédé de fabrication de ciment, par la suite on donne une vie générale sur l’installation électrique actuelle de l’usine et leurs défauts afin de proposer une solution convenable et satisfaisante. En fin, une présentation du système de supervision après avoir choisir les différents technologies et matériels utilisés pour la réalisation de se système. 93 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 1 : PRESENTATION DE LA SOCIETE 1. Historique : a) Présentation de Holcim (Maroc) : Holcim (Maroc) a été créée en 1976 par l’Office du Développement Industriel (ODI) avec le concours de la Banque Islamique sous le nom de CIOR (les Ciments de l’Oriental). Sa première cimenterie a été construite à Oujda et elle a démarré en 1979 une capacité de production nominale de 1.2 millions de tonnes par an. En 1993, Holcim (Maroc) a mis en service sa deuxième cimenterie, à Ras El Ma dans la région de Fès, avec une capacité de 600000 tonnes par an, pour répondre aux besoins croissants du marché national. En outre, deux centres de broyages et de distribution ont été ouverts à Fès et à Casablanca de capacité totale 800000 tonnes par an. Le 15 avril 2002, Holcim (Maroc) a changé son ancienne dénomination (CIOR). Ce changement affirme son appartenance au groupe international Holcim, groupe suisse leader dans le domaine de fabrication du ciment, du béton et du granulat. Les dénominations des sociétés affiliées au Maroc, et agissant dans différents domaines d’activité sont devenues : Holcim (Maroc) S.A, pour CIOR. Holcim (Méditerranée) S.A, pour Limed (à Nador). Holcim Bétons, pour Ecobéton. Cette nouvelle identité visuelle qu’adopte la société est une opportunité pour accroître son engagement vis-à-vis de ces clients, développer l’écoute et la formation de ses collaborateurs, mieux prendre en compte les questions liées à l’environnement et s’ouvrir davantage sur sa communauté. Les démarches ISO 9001 et ISO 14001 ont été mises en place dans les usines de Fès Ras EL Ma et Oujda en 2000 et 2002 respectivement. Pour recevoir les certificats officiels de conformité du Système de Management Intégré (SMI) Qualité et environnement aux standard ISO 9001 et 14001 en 2002 et 2003 respectivement. Ceci pour garantir la maîtrise continue de la qualité des produits et services de Holcim (Maroc). b) Développement Holcim : Holcim (Maroc) engage un important programme d’investissement. La première porte sur le regroupement et l’extension de la capacité de broyage de l’usine de Fès, le second concerne la nouvelle unité de production dans la région du centre (Settat). Dans cette perspective, Holcim adopte un nouveau plan d’entreprise pour la période 2002-2006. Construit sur une vision faisant du développement durable un pôle vers lequel devra converger la dynamique de progrès, il vise à inscrire dans les plans d’action autant que 94 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n dans les comportements, le concept de développement dans sa dimension environnementale et sociale. 2. Fonction et services de l’entreprise : Les activités principales au sein de la société sont la commercialisation et la production du ciment. En partant de l’extraction des matières premières jusqu’à l’obtention du ciment, ce processus de fabrication nécessite l’existence de plusieurs services s’occupant chacun d’une ou plusieurs taches. 3. Organigramme de l’entreprise : Figure 1 : Organigramme de l’entreprise 95 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 2 : PROCEDE DE FABRICATION DU CIMENT En partant de l’extraction des matières premières jusqu’à l’obtention du ciment, ce processus de fabrication nécessite l’existence de plusieurs services s’occupant chacun d’une ou plusieurs tâches. Etape de fabrication du ciment : 1. Exploitation de la carrière : Les matières premières sont extraites de deux carrières ; l’une –située à proximité du concasseur principal (800 m) – donne du calcaire (matière riche en chaux) que l’on extrait par des explosifs ; l’autre – située à 7km de l’usine – donne de l’argile (matière riche en silice, alumine et fer) que l’on expédie par des camions vers le concasseur. Les matières d’ajout sont : Le gypse, extrait d’une carrière située à 60 km de l’usine, son rôle est de régulariser le temps de prise du ciment Le tuf une matière très fragile, est spécialement utilisée pour la fabrication de CPJ45 spécial La pouzzolane, une matière volcanique. 2. Concassage : L’opération de concassage a pour but de réduire la granulométrie des blocs de pierre en fragments de faibles dimensions (25 à 40 mm).Elles assurent un mélange répondant à des caractéristiques chimiques précise. En effet, le calcaire et l’argile transportés par les camions sont déchargés dans une trémie qui est reliée à un alimentateur à vitesse variable qui permet de réguler le débit d’alimentation. La matière passe par deux étages de concassage, dont le premier est un concasseur à deux mâchoires, l’une fixe et l’autre mobile montée sur un support articulé et mis en mouvement par un mécanisme de bielle et de double volet. Et le deuxième un concasseur à marteaux. Les deux concasseurs traitent jusqu’à 1100 t/h. Les matières concassées sont ensuite stockées par qualités dans le hall de stockage de l’usine. (Voir figure) Front de taille Chargeuse Dumper Roche Tapis roulant Concassage 96 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 3. Echantillonnage : C’est une étape essentielle entre le concassage et l’opération de broyage. Elle a pour but de déterminer et de réaliser un présage des quatre constituants de base de cru : chaux, silice, alumine et fer, qui assurera la composition correcte et donc la qualité du produit fini. A partir d’analyses de routine effectuées sur des échantillons prélevés périodiquement sur le circuit de matière provenant des concasseurs, le laboratoire de l’usine précise les quantités de chaque composant et définit ainsi la constitution du de pré homogénéisation. 4. Pré homogénéisation : Après concassage, la matière crue présente toujours des fluctuations importantes dans sa composition, c’est pourquoi elle est introduite dans une tour d’échantillonnage puis stockée dans l’installation de pré homogénéisation. 5. Broyage et séchage de la matière première : Les matières premières pré homogénéisées doivent être finement broyées pour être chimiquement plus réactives au cours de leur cuisson dans le four, elles passent donc dans des doseurs alimentant un broyeur sécheur (il ne doit pas pratiquement subsister de particule de dimensions supérieures à 0.2 mm). La fonction du séchage est nécessaire car le broyage ne peut s’effectuer que dans la mesure où la matière ne s’agglomère pas sous l’effet conjugué de son humidité et compactage produit par les outils de broyage. En plus du séchage et de la fragmentation, le broyeur assure un mélange intime entre les différents minerais apportés par les matières premières et les ajouts de correction en faibles proportions. A la fin du broyage, la matière est dirigée vers un séparateur qui sélectionne les particules selon leur grosseur. 6. Homogénéisation : A la suite du broyage et après séparation, les matières premières sont transformées en une poudre de grande finesse appelée dans le jargon cimentier « Farine ». Cette farine doit présenter une composition chimique aussi constante que possible. Ces matières premières sont acheminées vers des silos dans lesquelles elles sont homogénéisées. L’opération d’homogénéisation complète le processus de pré homogénéisation préalable, elle permet d’obtenir un produit de caractéristiques chimiques uniformes qui permettent la fabrication d’un clinker de qualité constante. 97 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n La préparation de la matière première est maintenant achevée. 7. Cuisson de la farine On entend par cuisson le processus de transformations de la matière crue en clinker par un apport thermique suffisant pour obtenir des réactions chimiques complètes conduisant à l’élimination presque totale de chaux non combinée. La cuisson a pour but de transformer le cru en clinker. La matière sortant du four est le clinker. Elle se présente sous forme de grains gris foncés, arrondis, à surface irrégulière et dont le diamètre peut aller jusqu’à 3 cm. La cuisson s’opère dans des fours rotatifs. Ce sont de longs cylindres, inclinés sur l’horizontale. Ces cylindres sont garnis intérieurement par un revêtement réfractaire. La matière est introduite à l’extrémité la plus haute du four, et avance lentement par l’effet de rotation et l’inclinaison du four (durée de la traversée : 2 heures environ). A l’autre extrémité, se trouve la flamme résultant de la combustion. 8. broyage ciment : Après refroidissement, les granules de clinker sont par suite broyés avec addition du gypse (3 à 5%) pour retarder le temps de prise du ciment et éventuellement du calcaire et de cendres volantes, qui conféreront au ciment des propriétés spécifiques correspondant aux différentes qualités du ciment (CPJ 35 ; CPJ 45). Le type de broyeur utilisé est un broyeur à boulets. Le ciment fini est orienté vers les silos de stockage et de livraison. Le transport s’effectue pneumatique ment dans des tuyauteries aéroglisseurs) grâce à des pompes spéciales. 9. Ensachage et expédition : A la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers des silos de stockage à partir desquels il est expédié soit en sacs, soit en vrac, par camions ou par voie ferrée. 98 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S 99 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 3 : PRESENTATION DE L’INSTALLATION ELECTRIQUE I. Description du l’installation d’alimentation : a) Alimentation usine : L’alimentation de la cimenterie en énergie électrique est assurée par le poste ONE de BOURDIM. C’est un poste de transformation 225/60KV. La puissance maximale réservée à l’usine est 27MW, pour cela l’ONE place à l’usine une maxi-print pour vérifier la consommation chaque dix minutes. La consommation d’énergie arrive à 12 MW par mois. A partir du poste de BOURDIM, deux lignes de 60KV parviennent au poste extérieur de HOLCIM. Ce dernier est équipé de trois transformateurs de 60/11KV couplés en triangleétoile. Ces transformateurs sont protégés par des disjoncteurs pneumatiques à gaz SF 6, dont l’ouverture et la fermeture se fait par des vérins d’une pression de 15 Bars. On trouve six disjoncteurs au poste 60KV, trois pour protéger des transformateurs, deux protègent les deux lignes 159 et 197 et l’autre commande le couplage des deux lignes en cas de coupure de l’un de ces deux lignes. b) Alimentation secours : L’usine à deux groupes électrogènes ; en d’une coupure au niveau du réseau de l’ONE le démarrage se fait automatiquement d’un seul groupe qui assurer l’alimentation des fours, du convoyeur clinker, des pompes d’eau ainsi que l’éclairage, généralement il assure le fonctionnement des organes vitaux. Les deux groupes travaillent par un tour de rôle, mais en cas de besoin en fait travailler les deux, mais il faut les synchroniser, ça veut dire qu’il faut qu’ils aient la même fréquence, la même tension et la même succession des phases. Pour assurer un bon fonctionnement des groupes, il haut vérifier chaque jours : Le niveau de l’eau de refroidissement et le niveau d’huile du moteur diesel et la pression de l’air. 100 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le niveau combustible dans le réservoir. Le fonctionnement de préchauffage et l’étanchéité générale. Mettre sous pression le circuit de graissage. Placer ensuite le commutateur ou le clavier sur automatique. En cas d’une coupure, l’usine dispose aussi de deux onduleurs, pour assurer l’alimentation des micro-ordinateurs, des mémoires et des advants-contrôleurs. II. Description des salles électriques : L’étude que nous avons effectuée nécessite la visite des salles électriques pour connaitre de prés la composition de chaque salle et déterminer les départs et les arrivées de chaque M.T, T.D et M.S.C. L’usine contient 23 salles électriques est chaque salle se compose de : M.T : Ce sont les départ moyenne tension de 11 KV qui alimentent directement des moteurs de 11 KV, de 5.5 KV ou aliment de transformateurs 11kV/380V. T.D : ce sont les tableaux de distribution qui aliment, a son rôle, les MSC par une tension triphasé de 380 V. M.S.C : ce sont des départs vers les moteurs et les électrovannes et les distributeurs hydrauliques et pneumatiques. Des chargeurs batteries de 24V et de 127V. Des batteries condensateurs de compensation. III. Description des secteurs de l’usine : L’usine est répartir en secteur comme le suivant : Secteur 1 : il s’occupe de concassage et l’échantillonnage de la matière première. Secteur 2 : il broie, homogénéise et stocke le cru. 101 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Secteur 3 : son rôle est de cuire le cru pour avoir le clinker puis le refroidir et le transporter vers les silos clinker. Secteur 4 : il assure le stockage, le broyage du charbon ainsi que le transport et l’injection des pneus déchiquetés. Secteur 5 : il s’occupe du broyage du clinker et des ajouts. Secteur 6 :c’est le secteur d’expédition. Secteur 7 :c’est le secteur qui rassemble tous ce qui est auxiliaire comme l’éclairage, pompage, l’atelier, les compresseurs d’air et le bâtiment technique. 102 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 4 : CAHIER DE CHARGES ET POSITIONNEMENT DU PROBLEME I. Description du projet : a) Quoi ? Le projet consiste à assurer la redistribution des compteurs d’énergie BT et MT suivant les secteurs de l’usine, afin d’installer un réseau d’acquisition, supervision et de traitement de données de consommation. b) Pourquoi ? Les industriels, pour qui la part des dépenses énergétiques représente entre 15 et 50% des coûts de production, ont un besoin crucial de savoir OÙ, QUAND, COMMENT et COMBIEN l’énergie est utilisée. Pour cela il est primordial une mise en place de sous-comptages qui nécessite au préalable de procéder à un découpage fonctionnel de l’usine. Ce découpage établira les secteurs de consommation communs à toute l’usine (chaufferie, station d’air comprimée, groupes froids de la climatisation…) et les secteurs spécifiques (atelier, chaîne de production, service…). Un système de supervision permet également de gérer chaque secteur a part entière afin d’optimiser le rendement. En faite, grâce à un tel système, l’usine peut dépasser les opérations de prise des relevés manuellement qui se fait quotidiennement, matin et minuit ; et qui prend beaucoup de temps à causes des grandes distances qui séparent les compteurs. c) Objectif : Les avantages d’un tel système de supervision d’énergie sont : 1) L’archivage automatique des consommations : La télé relève automatique des compteurs assure la rapidité, confort, et fiabilité, car tout risque d’erreur sur le relevé des index est écarté. L’archivage automatique des données permet de consacrer plus de temps à l’étude et à l’optimisation des consommations. 103 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n L’enregistrement au fil de temps des puissances moyennes, permet de suivre exactement les consommations au cours du temps et de détecter les secteurs causant dépassements de puissance souscrite. 2) L’analyse technique et comptable des consommations : L’enregistrement périodique des consommations permet : De réaliser des tableaux de synthèse par secteurs. Ces tableaux donnent une vision globale des consommations d’une usine, d’un service, d’une ligne de production ou d’un centre de coût, avec une répartition par tranches tarifaires, un calcul des dépassements de puissances souscrites. D’établir des bilans énergétiques périodiques (journaliers, mensuels, annuels…), qui permettent d’identifier rapidement les postes des consommations les plus actifs. D’identifier rapidement des gisements d’économies, de mesurer l’influence du changement des caractéristiques du contrat de fourniture (version tarifaire, puissance souscrite…), de repérer rapidement les surconsommations anormales. 3) L’optimisation du contrat de fourniture : Réduire les dépassements de puissances souscrites. Chaque dépassement de cette puissance est facturé au prix fort. L’enregistrement des données permet de les éviter . Diminuer les consommations d’énergie active par rapport des consommations dans les tranches tarifaires les moins élevés. Toutes les données fournies par le système de gestion d’énergie (courbe de charge, dépassements, kWh par tranche tarifaire…) contribuent à obtenir le “kWh” au moindre coût. En reportant par exemple des consommations d’heures de pointe en heures pleines et d’heures pleines en heures creuses. Diminuer les consommations d’énergie réactive en surveillant et en contrôlant la valeur du cos . 4) La maintenance préventive du réseau L’analyse en continu de tous les événements (cos , dépassements, valeurs extrêmes, harmoniques, consommation anormale…) réduit le nombre d’interventions critiques sur le 104 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n réseau électrique. Le personnel d’exploitation dispose d’informations précises et en temps réel pour optimiser l’utilisation et augmenter la longévité des matériels du réseau électrique. II. Inconvénient de l’installation actuelle : Compte tenu du coût et la complexité de l’intégration d’une nouvelle installation il est fortement recommander d’adopter une démarche structuré afin de sélectionner les meilleurs moyens à en venir pour réaliser nos objectifs. Dans le but d’améliorer les performances de l’installation, nous avons a respecté les critères suivant : La fiabilité La robustesse Standardisation des équipements Garantir la pérennité de l’installation Ainsi, le système doit assurer la plupart des objectifs et doit répondre aux exigences des agents veillant sur l’opération du comptage électrique. Dans cette optique, nous avons envisagé deux orientations techniques possibles : La premier consiste à améliorer l’existent, tandis que la seconde propose une installation toute nouvelle. La deuxième démarche nécessite un budget important, et vue la crise économique mondiale qu’à influencer presque tout les secteurs y compris celui de la cimenterie, nous avons a estimer l’apport du projet par rapport a son budget . Au cours de la premier période de stage, il était claire que la plupart des agents ignore les objectifs de la redistribution des compteurs électriques, et s’intéressent le plus pour l’étude de l’installation d’un système de supervision, cependant que cela ne peut être réalisé que si l’installation des compteurs électriques répond a certain spécifications, en genre et en nombre. La mauvaise répartition initiale de l’installation d’énergie électrique dans les différentes salles électriques a engendrée des difficultés pour suivre la démarche du projet, ainsi que les propositions. Apres l’évaluation du l’installation électrique de l’usine, nous avons déterminé les principaux inconvénients existant en cette dernière, sur 3 niveaux : L’installation 105 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Les équipements Les relevés du comptage a) Niveau installation : L’étude que nous avons effectuée nécessite la visite de chaque salle électrique pour identifier les consommateurs des MSC, mais certains MSC contiennent plusieurs consommateurs appartenant aux différents ateliers. Prenons l’exemple suivant : Ce MSC alimente ces consommateurs au moyen d’un jeu de barre. Il existe par exemple des consommateurs doté de numéro 2 qui appartient au atelier cru .Ce qui n’est pas évident, est d’équiper chaque consommateur un compteur électrique. b) Les équipements : Au sein de l’usine Holcim, L’opération du comptage se base sur les relevées des compteurs électromécaniques, numérique et heures de marche, a affichage local, ce qui rend la mission de technicien chargé de prélever la consommation quotidien de l’usine, un peu 106 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n lourd et imprécis (la consommation n’est pas pris au même temps) .Cette tournée prend chaque matin environ 2 heures à cause des distances qui séparent les compteurs. Un autre problème se présente au niveau des compteurs des heures de marches, qui comptent les heures de marches que soit le consommateur à vide ou en charge. Certains compteurs nécessite la remise a zéro manuellement ce qui impossible de réaliser pour tout les compteurs en même temps, sachant que cette opération est faite par un seul technicien. La totalité des compteurs sont répartis seulement sur 7 salles électriques, cependant il existe 23 salles électriques. Cela montre que les données du comptage sont mal prises. La description des compteurs est décrite dans l’annexe C. c) Les relevés du comptage : Les formules des relevées du comptage électrique s’appuient sur des relevées des compteurs des heures de marches, et on a déjà signalé que ces compteurs comptent les jours tant que le consommateur soit alimenté en énergie. Cette mal identification au niveau du comptage de ces dispositifs, influence les rapports techniques de l’usine, sachant que Holcim s’intéressent pour la consommation selon les tranches horaires et d’autre consommation spécifiques. Une imprécision des relevées engendre une imprécision dans les rapports production-énergie. Notons que les formules du comptage sont doutées de sa fiabilité, car en plus de tout ce qu’on a cité d’inconvénients, nous avons détecté une grave erreur sur les formules de la feuille du comptage. 107 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 5 : SOLUTIONS ET PROPOSITION La mesure constitue un élément clé de la définition, de la réussite et de la pérennité d’une démarche d’optimisation énergétique. C’est pourquoi il convient de ne négliger aucune des étapes qui la constituent. La phase d’analyse est essentielle pour identifier de manière précise le comportement des installations et déterminer les solutions à mettre en place. I. Outil de travail ‘Code HAC’ : Holcim possède un système de contrôle commande advant-controllers, cet automate se base dans la premier phase de programmation, a la codification des secteurs existant. Le code HAC est un «nom » donné pour chaque module électrique pour désigner l’un de l’autre, mais cette nomination n’est pas arbitraire. En effet, chaque chiffre et numéro désigne une chose : Code HAC : XXX _XXX Le premier chiffre désigne le secteur a quel appartient ce dispositif électrique : 1 : Carrière. 2 : Concasseur. 3 : Cru. 4 : Four. 5 : ciment. 6 : Expédition L : Charbon Le deuxième chiffre désigne la position du dispositif : 1 ou 3 : qui sont des entrées 6 : translation lui-même 9 : sortie Le troisième chiffre indique a quelle ligne est appartient le module : 1 : par la ligne 1 2 : par la ligne 2 0 ou 4 : pour les communs entre les deux lignes Les deux lettres indiquent le nom de ce dispositif, par exemple : VE : Ventilateur d’Exhausteur SF : Suppresseur … 108 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Le quatrième chiffre est un nombre en hexadécimal pour caractériser l’ordre des modules de même nom, par exemple : II. 381 VT6 381 VT7 La redistribution des compteurs M.T et B.T : Dans une première étape nous avons collecté manuellement le ‘Code HAC’ de tout les consommateurs en marches du l’usine, puis les arranger un tableau dans le même ordre qu’on a pris avec, dans chaque salle électrique. Le Code HAC nous a également aidé a identifier le genre du dispositifs (voir annexe B). Nous n’avons négligé aucun des dispositifs même si quelques un ne sont pas codifié, mais ce problème était résolu à l’aide des agents de l’usine. La liste des consommateurs est en annexe A. La deuxième étape consiste à définir pour chaque MSC, ses départs, ses arrivées ainsi que leurs lignes d’alimentation. Le tableau suivant résume notre travaille : SE SE1 SE 2 MSC Départ MSC 7 MSC 11 MSC8 MSC9 MSC 10 Condensateurs MSC 13A MSC 13B SE 3 SE 4 SE 5 SE6 SE7 MSC 3 MSC 33 MSC 6 MSC 5 MSC 34 SE11 SE 12 Arrivée Salle SE 3 TR TD 31 TR 31 TD 32 TR32 Secteur SE 4 MSC 13A MSC 13B MSC 11 MSC 7 MSC 8 MSC 9 MSC 10 MSC 2 MSC 5 MSC 3 TD Concasseur SE1 SE 7 TR 71 TR 72 Préparation matière Préparation matière Préparation matière Chaudière & climatisation Cuisson TR 5 TR 6 SE5 Cuisson TR 7 TR 8 MSC 6 Administration MSC 12A MSC 12B SE1 SE1 SE 22 MSC 31 109 Preaparation martiere TD 51 TR 62 TR 61 TR 51 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S MSC 29A MSC 29B -Eclairage -Station de pompage SE 13 SE 14 SE 16 SE 17 SE 19 SE20 SE22 SE23 d e Com SE 13 m u n i c a t i o n TD 52 TR 52 TD 41 TR 41 TD 42 TR 42 Salle Du groupes MSC 29A MSC 29B SE 12 SE12 SE 19 SE 15 SE 17 MSC 14 MSC 19 MSC20 MSC 15 MSC 16 MSC 18 MSC22 MSC 23 MSC 25 SE 15 y s t è m e SE 20 Fuel SE 19 SE 15 SE 17 SE 20 SE 14 Ciment Electro-filtres SE 14 Ciment Expédition SE 14 Expédition SE14 Expédition SE 12 SE1 Expédition MSC 19 MSC 22 MSC 20 MSC 23 MSC 18 MSC 14 MSC 25 MSC 15 MSC 31 Ciment 110 TD 43 Combustible TR 43 TR 83 TR 82 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n En tenant compte l’assurance de la fiabilité de notre nouvelle distribution selon la sectorisation de l’usine, le tableau suivant résume notre travail : II.1 Compteur basse tension B.T : Secteur 1 Salle 2 MSC concasseur : Compteur 13 A Prévoir un compteur pour MSC13A 13B Prévoir un compteur pour MSC13B Prévoir un compteur pour Eclairage Secteur auxiliaire Prévoir un compteur pour MSC 8 4 3 8 11 Prévoir un compteur pour 310BT2 cuisson Prévoir un compteur pour alimentation aspirateur auxiliaire Prévoir un compteur pour MSC 11 Nombre des compteurs 7 Secteur 2 Salle 4 5 MSC 8 9 10 2 5 12A 11 12 B 3 7 13 29A Préparation matière et cru 1 et 2 : Compteur Déjà prévue en concasseur Prévoir un compteur pour MSC 9 Prévoir un compteur pour MSC 10 Prévoir un compteur pour MSC 2 Prévoir un compteur pour MSC 5 Prévoir un compteur pour Eclairage Prévoir un compteur pour MSC 12A Prévoir un compteur pour 22 consommateurs Four Prévoir un compteur pour MSC 12B Prévoir un compteur pour 26 consommateurs Four Prévoir un compteur pour Eclairage Prévoir un compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur pour MSC 7 pour Armoire commande (Garage) pour Eclairage pour MSC 29A pour 6 consommateurs Four Nombre des compteurs 18+22+26 SE11 Secteur 3 Cuisson+Combustible : 111 Secteur auxiliaire cuisson Cuisson Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Cuisson M a s t e r E : l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Cuisson : Salle MSC 6 Four1 3 7 Four2 6 11 13 Compteur 12 A 12 B 29B Prévoir un compteur pour MSC 3 Prévoir un compteur pour Pneu Prévoir un compteur pour LO1PI2 Prévoir un compteur pour LO1PI1 Prévoir un compteur pour Eclairage Prévoir un compteur pour MSC 6 Prévoir un compteur pour pneu Prévoir 3 compteurs pour pompe d’eau Prévoir un compteur pour LO1PI3 Déjà prévue salle 11 pré. Matière Déjà prévue salle 11 pré. Matière Prévoir un compteur pour 4 consommateurs ciments Secteur Combustible Combustible Combustible Auxiliaire Combustible Auxiliaire Combustible Ciments Nombre de compteurs 15 Combustible : MSC Salle 4 Compteur 6 9 10 3 7 23 6 TR83 TR82 Déjà prévue salle 4 pré. Matière Déjà prévue salle 4 pré. Matière Déjà prévue en cuisson pneu Déjà prévue en cuisson_LO1PI2 Déjà prévue en cuisson_LO1PI1 Déjà prévue en cuisson Prévoir un compteur Prévoir 3 compteurs pour compresseurs Prévoir un compteur Prévoir 2 compteurs pour compresseurs Nombre de compteurs 7 Secteur 4 Ciment : 112 Secteur Auxiliaire Auxiliaire M a s t e r Salle E : l e c t r o n i q u e MSC y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Compteur 29B Prévoir un compteur pour MSC 19 Prévoir un compteur pour Eclairage Prévoir un compteur pour MSC 22 Prévoir un compteur pour MSC 20 Prévoir un compteur pour Compresseur Prévoir un compteur pour Eclairage Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Vrac Prévoir un compteur pour MSC 23 Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Ciment Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Vrac Prévoir un compteur pour MSC 29B Déjà prévue en cuisson (4 consommateurs ciments) 29A Prévoir un compteur pour Eclairage Déjà prévue en prépa. Matière 15 19 22 17 20 23 13 S e t Secteur Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Auxiliaire Nombre de compteurs 12 NOTE : La salle électrique 11 d’homogénéisation ainsi que la 13 du clinker présentent un gros problème à cause du nombre des compteurs prévus pour eux au niveau des MSC, par suite nous avons envisagé deux solutions : Soit on change l’installation complètement dans les salles en rangeant les consommateurs du même secteur dans une même colonne afin de placer ensuite un seul compteur au début des jeux de barres de chaque colonne. Soit installer des compteurs horaires, puisque ces consommateurs ont une puissance fixe, et à la fin du mois on prélève les heures de marches on les multipliant par la puissance on aura la consommation en « KWh ». Secteur 5 Salle 20 18 Expédition : MSC 25 15 19 Compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur Prévoir un compteur pour MSC 25 pour MSC 15 pour Eclairage pour MSC 19 Nombre de compteurs 4 113 Secteur Auxiliaire M a s t e r : Secteur 6 Salle 4 5 11 3 6 7 15 17 MSC 8 5 12B 7 3 33 6 34 19 20 23 13 20 22 23 29B 15 31 TR83 TR82 12 27 28 E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Auxiliaire : Compteur Déjà prévue pour alim. Aspirateur en cuisson Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière Déjà prévue pour garage en prépa. Matière Déjà prévue pour éclairage en charbon Prévoir un compteur pour MSC 33(chaudiére et clim.) Déjà prévue pour pompe d’eau en cuisson Prévoir un compteur pour MSC 34 ( administration) Déjà prévue pour éclairage en ciment Déjà prévue pour eclairage en ciment Déjà prévue pour compresseur en ciment Déjà prévue pour surpresseur en ciment Déjà prévue pour surpresseur fluidis.Ciment en ciment Déjà prévue pour surpresseur fluidis.vrac en ciment Déjà prévue pour éclairage en ciment Déjà prévue pour éclairage en expédition Prévoir un compteur pour MSC 31 (station pompage) Déjà prévue pour 3 compresseurs en combustible Déjà prévue pour 2 compresseurs en combustible Prévoir un compteur pour éclairage secours Secteur Pom.eau Prévoir un compteur pour MSC 27 ateliers Prévoir un compteur pour MSC 28 Labo Nombre de compteurs 6 Nombre totale des compteurs : 69+22+26 =117 compteurs II.2 Compteurs Moyenne Tension M.T : Secteur 1 Salle TR concasseur : compteur 114 Alimentation M a s t e r 1 : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n 71 Prévoir un compteur pour MSC13A 11kV 72 Prévoir un compteur pour MSC13B 11kV Nombre des compteurs 2 Secteur 2 Salle 1 6 7 Préparation matière et cru 1 et 2 : Compteur Prévoir un compteur pour moteurs principaux cru 1 Prévoir un compteur pour moteurs principaux cru 2 Prévoir un compteur pour exaust de tirage E17 cru 1 Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-08 Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-09 Prévoir un compteur pour exaust de tirage E17 cru 2 Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-10 Alimentation 11kV 11kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV Nombre des compteurs 7 Secteur 3 Cuisson+Combustible : Cuisson : Salle 6 Four1 7 Four2 Compteur Prévoir un compteur pour entrainement four 1 Prévoir un compteur pour ventilateur Dopol K06-04 Prévoir un compteur pour ventilateur cheminé M03-02 Prévoir un compteur pour entrainement four 2 Prévoir un compteur pour ventilateur Dopol K06-05 Prévoir un compteur pour ventilateur cheminé M03-03 Alimentation 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV 5.5 kV Nombre de compteurs 6 Secteur 4 Salle 14 Ciment : Compteur Prévoir un compteur pour moteurs principaux 1 Prévoir un compteur pour moteurs principaux 2 Alimentation 11kV 11kV Nombre de compteurs 2 Nombre totale des compteurs : 17 III. Etude d’équipement : Apres l’évaluation de la globalité de l’installation, nous avons besoin de 117 compteurs basse tension et 17 compteurs moyenne tension. Nos équipements doivent constituer un système complet d’appareils de mesure performants et innovants. 115 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III.1. Choix des compteurs : III.1.1 Centrales de mesure Les recdigit POWER, centrales de mesure au format 144 x 144, répondent aux applications de mesure, de comptage et d’affichage des paramètres électriques des réseaux triphasés BT, MT ou HT. Parmi les modèles que compose cette gamme, POWER Q et POWER M se destinent également à la supervision et la gestion d’énergie. Les recdigit Power permettent d’afficher jusqu’à 35 paramètres d’un réseau triphasé BT, MT ou HT, sur 3 afficheurs de haute lisibilité. Tous les types d’application sont satisfaits par 3 modèles seulement : visualisation, supervision et gestion d’énergie. Ces centrales peuvent être connectées à un système (PC, API, GTB,…) par l’intermédiaire de leurs sorties analogiques, pulsionnelles et numérique. * 3 modèles dédiés : Energy Display, Energie Quality, Energy Management * Caractéristiques métrologiques de haut niveau : classe 0,2 en mesure, classe 1 en comptage (IEC 61036) * Visualisation de 35 grandeurs électriques en valeurs instantanées, moyennes, minimales et maximales * Gestion automatique des calibres et des unités à l’affichage * Relais d’alarme en standard * Sorties impulsions de comptage et sortie analogiques en option * Sortie numérique RS 485 ModBus/Jbus avec un champ mémoire étudié pour une intégration optimale dans un système de supervision III.1.2 Compteurs télérelevables 116 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Les CDT sont des compteurs divisionnaires triphasés communicants équipés d’un émetteur d’impulsions. Ils répondent aux applications de mesure et de gestion d’énergie pour les réseaux électriques triphasés BT/MT, en transmettant les données via leur sortie numérique RS485 vers un système de supervision ou de gestion. III.1.3 Concentrateur d’impulsions Le CCT, produit compact et simple d’exploitation, collecte et stocke en temps réelles impulsions provenant de différents compteurs d’énergie (électricité, eau, gaz…)ou les signaux T.O.R. (état disjoncteur, déclenchement d’alarme, ouverture de porte…) pour les transmettre via sa sortie numérique RS485 vers un système de gestion d’énergie. Il accepte tous les types d’unité de comptage (m3, m3/h, litres, kWh…). 117 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S 118 y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III.2 Choix du technique de transmission. Vue de l’environnement bruité de l’usine, les grandes distances qui séparer les compteurs qui arrive jusqu’au 1,5 Km et le nombre important des compteurs, le choix de la technique de transmission reste un problème curieux. III.2.1 liaison RS485 a- introduction La norme RS485 définie par l’EIA, Electronic Industries Association, a été publiée en Avril 1983. Ce standard précise les caractéristiques électriques des émetteurs et des récepteurs pour une utilisation dans le système multi-point en mode symétrique. b- Principe de base du RS485 : L’interface RS485 (EIA) définit les conditions d’interconnexion de plusieurs circuits émetteurs et récepteurs (transceivers) utilisés dans des systèmes multipoint en mode symétrique (Bus 2 fils). c- Liaison série RS 485 MODBUS Le protocole MODBUS (marque déposée par MODICON) est un protocole de dialogue basé sur une structure hiérarchisée entre un maître et plusieurs esclaves. - le maître parle à un esclave et attend sa réponse, - le maître parle à l’ensemble des esclaves, sans attente de réponse (diffusion générale). d- Structure du message : Le maître envoie un message constitué de la façon suivante : 119 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e Adresse de l’esclave e t S y s t è m e Instruction d e Donnée Com m u n i c a t i o n Contrôle Concerné Codé sur 1 octet. Les abonnés du bus sont identifiés par des adresses attribuées par l’utilisateur. L’adresse de chaque abonné est indépendante de son emplacement physique. Les adresses vont de 1 à 64 Deux abonnés ne peuvent avoir la même adresse. Destiné à assurer l'intégrité de l'échange La donnée peut être composée de plusieurs mots, par exemple, adresse du premier mot (2 octets), puis nombre de mots (2 octets). Codé sur 1 octet MODBUS offre 19 fonctions différentes. Elles se caractérisent par un code fonction sur un octet (en hexadécimal). La détection de fin de message est réalisée sur un silence de plus de 2 caractères. L’esclave répond par un message du même type. e-Câblage de la liaison MODBUS RS 485 : RS-485 : c’est une liaison série, de type asynchrone, différentielle qui permet un débit élevé (jusqu’à 10 Mégabits/seconde) sur une distance importante (jusqu’à 1200m). Elle dispose de 2 bornes d’émission polarisées notées Tx(+), Tx(-) ou T×D bornes de réception polarisées notées Rx(+), Rx(-) ou R×D. 120 et de 2 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n f- Mode RTU : Le mode de transmission utilisé est le mode RTU. La trame ne comporte ni octet d’entête de message, ni octets de fin de message. Sa définition est la suivante : Adresse de l’esclave Code requête Données CRC16 Les données sont transmises en binaire. CRC16 : paramètre de contrôle polynomial (cyclical redundancy check). La détection de fin de trame est réalisée sur un silence supérieur ou égal à 3 caractères. Type RTU (Unité terminale distante) : chaque octet composant une trame est codé sur 2 caractères hexadécimaux (2 fois 4 bits). START Adresse Fonction Données CRC END Silence 1 octet 1octet n octets 2 octets Silence La taille maximale des données est de 256 octets. Support de transmission Chaque octet composant un message est transmis en mode RTU de la manière suivante : Sans contrôle de parité Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Stop Avec contrôle de parité Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Parité Stop Avant et après chaque message, il doit y avoir un silence équivalent à 3,5 fois le temps de transmission d’un mot. Fonction : 121 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n MODBUS offre 19 fonctions différentes. Elles se caractérisent par un code fonction sur un octet (en hexadécimal). Tous les équipements ne supportent pas tous les codes fonction (voir annexe D). 122 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III.3 Choix du multiplexeur : Le multiplexage est une opération très utilisée en acquisition des données surtout dans les cas d’un flux de données en temps réel. Le multiplexage consiste à égueuler les données provenant de N entrées à vers une seule sortie. Dans notre application nous avant besoin d’un multiplexeur de 8 entrées dont chacune est liée à un concentrateur d’impulsion CCT. Entrée N°1 Entrée N°2 Entrée N°3 Entrée N°N M U L T I P L E X E U R Sorite 123 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III.4 Choix de la carte d’acquisition : III.4.1 carte d’acquisition NI PCI-6221 a- définition La NI PCI-6221 est une carte d'acquisition de données multifonction faible coût de la Série M faible coût optimisée pour des applications dont il convient de maîtriser les coûts. Examinez les matériels de la Série M haute vitesse, pour des fréquences d'échantillonnage 5 fois plus élevées ou les matériels de la Série M haute précision, pour une résolution 4 fois plus élevées et une excellente précision de mesure. Les matériels de la Série M faible coût intègrent des fonctionnalités avancées telles que le contrôleur système NI-STC 2, l'amplificateur programmable NI-PGIA 2 et la technologie d'étalonnage NI-MCal pour accroître les performances et la précision. Pour en savoir plus sur les technologies de la Série M, les spécifications matérielles et les informations sur les câbles et les accessoires recommandés, veuillez consulter les fiches techniques et les spécifications. b- Description carte DAC NI PCI-6221: sorties analogiques 16 bits, 833 kéch./s ; 24 E/S numériques ; compteurs 32 bits Certificat d'étalonnage du NIST et plus de 70 options de conditionnement de signaux E/S numériques corrélées (8 lignes cadencées, 1 MHz) Technologie d'étalonnage NI-MCal, pour une précision de mesure accrue Sélectionnez les matériels de la Série M haute vitesse pour des fréquences d'échantillonnage 5 fois plus élevées ou de la Série M haute précision pour une résolution 4 fois plus élevée. Chaque NI PCI-6221 nécessite: 1 Câble, 1 Bloc de connexion 124 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n III.4.2. Measurement and Automation Explorer (MAX) : LabVIEW installe Measurement & Automation Explorer (MAX), qui établit tous les appareils et les paramètres de configuration du canal. Après avoir installé un dispositif d'acquisition de données dans l'ordinateur, vous devez exécuter cet utilitaire de configuration. MAX lit les informations des dossiers du Gestionnaire de périphériques dans le Registre Windows et affecte un numéro d'unité logique à chaque périphérique DAQ. Utilisez le numéro de périphérique à se référer à l'appareil dans LabVIEW. Access MAX soit en doublecliquant sur l'icône sur le bureau ou en sélectionnant Tools>>Measurement & Automation Explorer dans LabVIEW. La fenêtre de la figure ci-dessous est la fenêtre MAX primaire. MAX est aussi le moyen pour le SCXI et SCC configuration. Affiche la liste des périphériques et des instruments connectés au système. Permet d’exécuter des tests pour vérifier le bon fonctionnement des périphériques connectés (à faire avant de ce lancer dans la programmation sous labVIEW). 125 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Permet la configuration du matériel. Permet de créer et modifier des voies, des tâches, des interfaces, des échelles,… 126 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Chapitre 6 : SUPERVISION I. Etude du système de supervision: I.1 introduction a LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) est un logiciel de développement d'applications d'instrumentation. Bien que tout à fait utilisable dans un grand nombre de domaines, LabVIEW est plus particulièrement destiné à l'acquisition de données et au traitement du signal. En effet, ce logiciel offre de larges possibilités de communication entre l'ordinateur et le monde physique (par cartes d'acquisitions analogiques ou numériques, cartes GPIB, réseau, liaisons série et parallèles, etc.) ainsi que d'importantes bibliothèques mathématiques permettant de traiter les signaux mesurés. I.2 Le concept d'instrument virtuel Un instrument de mesure classique peut se décomposer en quatre parties logiques : La première partie réalise la conversion d'une grandeur physique en signal électrique .C'est le conditionnement des signaux. La seconde partie réalise la mise en forme de cette grandeur électrique quelconque en une grandeur électrique exploitable par des circuits électroniques. La troisième partie est constituée des circuits électroniques de traitement et/ou d'analyse. La quatrième partie réalise l'affichage des résultats et permet de changer les paramètres de l'instrument. De même, un instrument de mesure informatique va se décomposer suivant quatre parties : Une première partie identique à la précédente mais réalisée par des circuits spécifiques de mise en forme des grandeurs physiques en une tension exploitable (exemple : 0-5 V), c'est ce que font les cartes de conditionnement de signaux. La seconde partie convertit ces signaux électriques mis en forme en une grandeur numérique et stocke ces valeurs dans la mémoire de l'ordinateur (cartes de conversion analogiques/numériques). La troisième partie traite et analyse ces valeurs numériques, ce travail est réalisé par le logiciel. 127 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n La quatrième partie affiche les résultats sur l'écran de l'ordinateur, et permet de changer les paramètres de l'instrument grâce à la souris ou au clavier. Ce travail est également réalisé par le logiciel. On appelle "instrument virtuel" l'ensemble composé des troisième et quatrième parties de l'instrument. Avec LabVIEW, on pourra manipuler ces instruments virtuels comme s'il s'agissait d'instruments réels. I.3 Le principe de LabVIEW LabVIEW permet de réaliser, entre autre, des instruments virtuels. Par extension on appellera VI (pour Virtual Instrument) toute application réalisée avec LabVIEW. Un VI est composé de trois parties liées : Une face-avant (Front-Panel) Figure 1: c'est l'interface (ou moyen de communication) avec l'utilisateur. Cette face-avant, personnalisable à loisir, est composée d'objets graphiques comme des interrupteurs, des potentiomètres, des zones de graphismes, etc.… Elle représente la face-avant de l'instrument. Un diagramme (Block-Diagram) Figure 2 : cette partie décrit le fonctionnement interne du VI. On utilise le langage G pour décrire ce fonctionnement. Destiné à être utilisé par des ingénieurs et des scientifiques, non informaticiens de formation, LabVIEW utilise un langage de programmation graphique G (pour Graphique) afin de décrire les programmes dictant le comportement de l'application. Ainsi l'utilisateur est affranchi de la lourde syntaxe des langages de programmation textuels tels que C, Basic, etc. Une icône (Icon) Figure 3 : c'est la symbolisation de l'instrument virtuel qui permettra de faire appel à un instrument virtuel déjà créé à l'intérieur d'un autre instrument virtuel, c'est un principe de structure hiérarchique et de modularité. 128 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e Figure 1 : Face-avant S e t y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Figure 2 : Diagramme Figure 3 : Icon I.4 Le langage G Le langage G se base sur le principe du flot de données, auquel ont été rajoutées des structures de programmation afin d'obtenir un langage de programmation complet. Un diagramme flot de données permet d'exprimer une fonction de manière graphique. Un tel diagramme (Figure 4) est composé de : Terminaux : ils définissent les entrées (rectangle gras) et les sorties (rectangle fin) de la fonction. Noeuds : ils définissent les opérations à effectuer. Ils sont représentés par un carré pouvant éventuellement contenir une image illustrant leur fonctionnalité, Arc orientés : ils relient noeuds et terminaux et permettent d'indiquer le passage de données d'un noeud vers un autre. Par convention, ces arcs sont orientés implicitement de gauche à droite, Jetons : ils représentent les données transitant sur les arcs. Ils sont représentés par des points. Des règles d'évolution permettent de faire évoluer ce diagramme : A l'initialisation, les terminaux d'entrée produisent chacun un jeton, Lorsqu'un noeud possède un jeton sur chacun de ces arcs entrant, le noeud peut être exécuté : chaque jeton en entrée est consommé et le noeud produit un jeton sur chacun de ces arcs sortants. 129 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Un diagramme flot de données peut être encapsulé afin d'être réutilisé, en tant que noeud, par d'autres diagrammes flot de données. Les terminaux du diagramme deviennent alors les entrées/sorties du noeud. Ainsi le diagramme de la Figure 4 exprime le calcul de "d = a + b * (b - c)" et de "e = b - c". A l'instant considéré, le noeud "+" peut être tiré, le noeud "-" a été tiré. Le noeud "*" ne peut être tiré pour l'instant puisqu'un de ces arcs d'entrée ne possède pas de jeton. Cela sera possible lorsque le noeud "+" aura été tiré et qu'il aura produit un jeton sur son arc de sortie. La Figure 5 représente la forme encapsulée de ce diagramme. Figure 4 : un diagramme Flot de données Figure 5 : encapsulation d'un diagramme flot de données 130 M a s t e r : E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n II. Interface de visualisation II.1 face avant La face avant est la face de visualisation des différents graphe de consommation d’énergie sous forme des onglets dont une par secteur, et la 8ème est réserver pour visualiser, imprimer et envoyer les consommations des secteurs sous forme d’un tableau mensuel). 131 (journal M a s t e r E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n II.2 diagramme Diagramme est constitué des sous-VIs pour faciliter le débogage du programme lors du changement des paramètres ou lors d’un problème. La structure du diagramme est comme suite : Sous-VI pour la lecture et l’enregistrement des valeurs acquissent dans des variables globales. Sous-VI pour la sommation des valeurs par secteur en multipliant chaque valeur par un entier précisant l’amplitude de l’impulsion, nommée « val-par-secteur ». Sous-VI val-par-secteur Des variables globales permettant d’échanger les valeurs et données entres les sous-VIs, entres les boucles et structure de conditionnement. 132 M a s t e r E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e 133 d e Com m u n i c a t i o n M a s t e r E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com Schéma globale de la chaîne de supervision . . . M U L T . . . . . . 134 m u n i c a t i o n M a s t e r E l e c t r o n i q u e e t S y s t è m e d e Com m u n i c a t i o n Conclusion générale Cette période de stage que j’ai effectué à HOLCIM m’a offert La possibilité de renforcer et de développer mes connaissances théoriques et pratiques. La meilleure des choses qu’on peut apprendre dans un stage. C’est vivre entre les employés, les méthodes de résolution des problèmes dans un milieu industriel, la nature des interventions et des problèmes qu’on peut affronter dans l’industrie et l’adaptation avec le monde industriel. Conclusion personnelle Ces 17 semaines de stage m’ont beaucoup apporté tant sur le plan personnel que professionnel. J’ai apprécié tout particulièrement la confiance et l’autonomie que m’a laissées le service maintenance électrique sur les différentes taches effectuées. J’éprouve depuis cette expérience un certain intérêt pour cette activité. Toutes les difficultés que j’ai rencontrées ont pu être résolues avec l’aide précieuse de mon maître de stage. J’ai eu la chance de travailler avec des personnes très intéressantes et sympathiques, ce qui m’a permis de m’intégrer facilement dans l’équipe et de me trouver dans de très bonnes conditions pour approfondir mes connaissances et en acquérir de nouvelles. Ma formation au siens de la faculté des sciences et spécialement au niveau du master électronique et système de communication m’a apporté des connaissances dans les différents domaines d’acquisition des données, transmission d’information et électronique. Ces connaissances m’ont permis de m’adapter facilement et rapidement aux nouvelles situations en entreprise. 135
