BRIGNON Pierre MERCIER Damien BTS Électrotechnique Session 2007 Rapport de thème Remerciements En premier lieu et avant d’aller plus loin dans la rédaction de ce compte rendu d’étude, je tiens à remercier sincèrement les professeurs qui nous ont guidés durant tout le déroulement du projet et tout particulièrement Mr FABBRI. 2 Sommaire PARTIE 1 PRESENTATION DU PROJET ............................... 5 1) PRÉSENTATION GÉNÉRALE DU PROBLEME : ......................................................... 5 2) EXPRESSION FONCTIONNELLE DU BESOIN : ..................................................... 6 3) - AGENCEMENT DES PROCEDES : .............................................................................. 7 4) – PLAN DE TRAVAIL : ..................................................................................................... 8 5) – REPARTITION DES TACHES : .................................................................................. 9 6) - PLANNING : .................................................................................................................. 10 PARTIE 2 ETUDE DU PROJET ....................................... 12 1) – PRINCIPE DE L’INSTALLATION : .......................................................................... 13 2) – PRESENTATION DU MATERIEL : .......................................................................... 15 4) - SCHEMAS :................................................................................................................... 26 5) – IMPLANTATION : ..................................................................................................... 28 6) – PRINCIPE GENERAL DU REGULATEUR PID: ...................................................... 30 PARTIE 3 BILAN DU PROJET ...................................... 32 1) – ESSAIS ET DIFFERENTS RELEVES : ................................................................... 33 Conclusion .............................................................................................................................. 35 Annexes........................................................................... 36 3 Introduction En 2ème année de BTS électrotechnique, nous devons réaliser un projet d’une durée de travail effectif de 120 heures. Ceci a pour but de mettre en application nos connaissances dans le domaine de l’électrotechnique ainsi que d’apprécier la délicatesse du travail en binôme. Notre choix s’est porté sur le thème de la régulation de température car il est basé sur une partie très largement étudiée au cours de notre formation : l’asservissement. Le matériel utilisé est un four de cuisson de 38 litres disposant d’une puissance de chauffe de 4 kW pouvant couvrir une plage de température entre 50 et 140 °C. Le but à atteindre au terme de ce projet est d’obtenir un asservissement de température avec une précision de l’ordre du degré C. De plus différents points de mesure sont à prévoir tels que l’image de la température en tension, les grandeurs nécessaires au bilan énergétique du système… Depuis le mois de novembre nous préparons ce système afin de passer une soutenance à la fin du mois de juin 2007 en présence d’un jury. 4 PARTIE I : PRESENTATION DU PROJET 1) PRÉSENTATION GÉNÉRALE DU PROBLEME : 5 a) Enoncé du Besoin : Ce projet repose sur un système de chauffe servant à l’étude pédagogique des asservissements et de la régulation de température dans les classes de BTS Electrotechnique. La partie opérative sera composée d'un four électrique. b) Contexte du projet : Une partie opérative sous la forme d'un four industriel était au départ discutée avec l'entreprise BOURGEOIS. Le choix s’est ensuite porté sur un four ménager. La partie commande, avec installation d'un régulateur industriel dont le modèle reste à définir, est à concevoir et à réaliser. c) Le Produit et son Marché : Ce produit est à usage pédagogique, et n’est pas commercialisé sous cette forme. Il sera utilisé pour les essais de système en STS. d) Prestations Demandées : C’est la réalisation d’un produit fini, conforme aux critères d’appréciation du cahier des charges particulièrement en terme de sécurité et de qualité. 2) EXPRESSION FONCTIONNELLE DU BESOIN : 6 1) Fonctions de service principales et fonctions contraintes : a) Fonctions de service principales : FP1 : Chauffer à une température donnée et réguler cette température. - FP2 : De 50 à 140 °C (précision de +/- 1 °C). Point de mesures: Commande et puissance du relais statique, image de la température en tension, tension et courant d'alimentation du système pour bilan énergétique. Proposer un modèle thermique de la partie opérative. b) Fonctions contraintes : FC1 : Utiliser la partie opérative existante. - Respect des normes NFC15-100 et EN 60204 - Coupure automatique de la chauffe après 200 °C. FC2 : Assurer la sécurité de l’ensemble (respect des normes en vigueur). FC3 : Utiliser les sources d’énergie disponible. - Réseau 3x400 V 50 Hz + N + PE FC4 : Réalisation de dossiers techniques. - Dossier de mise en service et dossier de maintenance. 2) Critères d’Appréciation : FP1 : Optimisation du temps de montée en température. Précision. FP2 : Gestion des sécurités. Affichage des défauts par voyants. Affichage de la température du four. Point de mesures: Commande et puissance du relais statique, image de la température en tension, tension et courant d'alimentation du système pour bilan énergétique. FC1 : Qualité de la réalisation, respect de la sécurité en cours de réalisation et au niveau du produit fini. 3) - AGENCEMENT DES PROCEDES : 7 Spécifications matérielles : La partie opérative n'est pas encore dans l'établissement. Elle doit être donnée par un industriel ou achetée par l'établissement. Régulateur PID industriel de marque à définir. Acquisition de la température par une sonde PT100 ou thermocouple reliée au régulateur. Commande des résistances de chauffe par relais statique. 4) – PLAN DE TRAVAIL : “ l’organisation temporelle suit le cycle de vie de démarche de projet “ C.D.C.F. Pré-étude Etude Réalisation Intégration Exploitation Chaque étudiant prend en charge toutes les phases du cycle relatives aux fonctions du système qui lui sont attribuées. A l’issue de chaque étape, il rédigera les documents de synthèse correspondants. o Pré-étude descriptif technique choix techniques et technologiques. organigrammes de structures logicielle et matérielle. coût prévisionnel. o Etude documents de réalisation schémas de réalisation : de principe, de câblage, de mise en énergie... document d’analyse logicielle tableaux de connexions, d’affectation... nomenclatures plans d’implantation o Réalisation - Intégration documents d’exploitation 8 notices d’installation et de mise en œuvre documents d’entretien et de réglage (manuel de service) regroupant les procédures de test et de mise au point, une sélection des documents de réalisation, des relevés-types de signaux... Chaque étudiant, dès la pré-étude : prend en compte les caractéristiques et contraintes auxquelles doivent répondre les données qu’il élabore (grandeurs de sortie) transmet au reste de l’équipe les caractéristiques et contraintes auxquelles doivent répondre les données qui lui seront destinées (grandeurs d’entrée et de contrôle) recense ses besoins en énergie 5) – REPARTITION DES TACHES : Travail en commun : Prise en main du système. Démontage et adaptation de la partie puissance et commande existante. Etude des schémas électriques. Choix du régulateur. Choix du relais statique Essais et mise au point. Etudiant A (BRIGNON Pierre) : Etude et câblage du schéma de puissance. Réalisation de la partie régulation de température. Etude et réalisation de la partie acquisition de température. Etudiant B (MERCIER Damien) : Etude et câblage du schéma de commande. Modélisation thermique de l'ensemble par des essais à préciser ultérieurement. Dimensionnement des actionneurs. Remarque : Lycée René Perrin Rue René Perrin 73400 UGINE Le cahier des charges pourra être modifié en cours d’année, en accord avec le professeur chef de projet, afin de répondre aux contraintes techniques, et en Académie de : GRENOBLE fonction des propositions d’amélioration. Brevet de Technicien Supérieur ELECTROTECHNIQUE Session : 2007 E.6 – EPREUVE PROFESSIONNELLE DE SYNTHESE 9 Four régulé 2007 FICHE DE REPARTITION DES TACHES ETUDE & DEVELOPPEMENT TACHES P R E E T U D E R E C E P T E U R S CAPACITES JUSTIFIER EVALUER VALORISER C O N V E R T I S S E U R S C O M M A N D E AB P I L O T A G E D I S T R I B U T I O N D O C U M E N T A T I O N O R G A N I S A T I O N S O U S E N S E M B L E R E A L I S A T I O N M I S E A U INSTA LLATIO N & M A I N T E N A N C E EXPLO ITATIO N P O I N T E N S E M B L E O R G A N I S A T I O N I N T E R V E N T I O N AB C1 AB C2 AB AB AB DEFINIR AB CHOISIR C3 AB C4 AB AB AB AB ADAPTER AB C5 AB AB C6 AB AB CONCEVOIR REDIGER DECODER C7 AB AB AB AB AB AB AB AB COORDONNER CONTROLER ANIMER C8 AB AB AB AB INFORMER AB AB DIAGNOSTIQUER AB AB CLASSER T1 T21 T22 T23 T24 6) - PLANNING : 10 T25 T3 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 T41 T42 T5 T61 T62 Novembre – février : - Prise de connaissance du cahier des charges - Etude : recherche de matériel sur catalogues - Recherche des schémas électriques - Recherche des plans mécaniques Février –mars : - Réception du matériel - Assemblage des composants de l’armoire - Réalisation des schémas sur le logiciel SEE Electrical 2004 - Recherche de documentations auprès des constructeurs Avril – mai : - Réception du châssis / peinture - Implantation des composants de l’armoire - Câblage puissance et commande - Prise en main du régulateur - Essais Juin : - Paramétrage du régulateur (en cours) - Rédaction du rapport 11 PARTIE II : ETUDE DU PROJET 12 1) – PRINCIPE DE L’INSTALLATION : Commande Mesure de température Fonctionnement : L’armoire équipée du régulateur fournit une consigne en tension aux résistances du four à travers le relais statique. Un capteur situé à l’intérieur du four mesure la température interne et envoie l’information au régulateur qui adapte sa commande en fonction de l’écart entre la température demandée et la température effective. 13 Données et calculs préliminaires : P = 4 kW U = 230 V Cos φ = 1 car la charge est purement résistive Courant consommé par le four à pleine puissance: I = P/(U cos φ) = 17,4 A R = V²/P = 230² / 4000 = 13,2 Ω Estimation de coût: - Régulateur: 274 € HT - Châssis : 0 € - Coffret: 154 € TTC - Eléments du coffret: 257 € TTC - Relais statique : 31 € TTC - Balise : 60 € TTC - Four: 300 € TTC - Total: 1076 € TTC 14 2) – PRESENTATION DU MATERIEL : Four : 2 résistances de chauffe Volume : 38 litres Puissance de chauffe maximale : 4 kW Prix : 300 € TTC Coffret électrique : Nous avons opté pour un coffret Merlin Gerin en métal. Pour faciliter le montage des composants électriques nous avons pris une taille suffisamment importante (650 x 440 x 250), par comparaison avec des projets similaires. Prix : 154 € TTC Balises et colonnes de signalisation : 15 Pour garder la même signalisation existante sur les différents TP, nous avons donc choisi ce modèle ci-contre. Prix : 60€ Porte fusible : Porte fusible ST 14 pour fusibles 14x51 Pour assurer une protection optimum du relais statique, il faut faire l’usage d’un fusible très rapide : protistor. Nous utiliserons donc un fusible protistor à percution 20A pour avoir une marge de sécurité suffisante, installés dans des porte fusibles. Prix : 34 € TTC Le régulateur : GEFRAN 600 REGULATEUR : Il a pour but de contrôler la température du four quelles que soient les perturbations extérieures. Régulateur monophasé pour commande de résistance de chauffage. Prise en compte du thermocouple. Régulation PID Optimisation de la montée en température, de la précision et de la stabilité. Prix : 274 € HT Dimensions face avant: 48x48mm • Entrée universelle configurable par clavier • Précision meilleure que 0,2% p.e. dans les conditions nominales • Sortie de régulation à relais, logique, à Triac ou continue • Fonction chaud/froid avec sélection du fluide de refroidissement • 3 alarmes avec fonction entièrement configurable 16 • Sortie analogique de retransmission • Entrée logique isolée avec fonction configurable • Entrée auxiliaire pour T.I. (50 mAc.a.) • Alarme rupture de charge ou capteur en court-circuit • Autoadaptativité, Autoréglage, fonction Man/Auto • Fonction double consigne, rampe de consigne, sorties temporisées • Ligne série opto-isolée RS485. Protocole: GEFRAN CENCAL ou MODBUS RTU • Autodiagnostic • Configuration rapide par PC avec le logiciel Winstrum Schéma de raccordement : Le relais statique : GEFRAN RA 24 25 06 : Le relais statique a été choisi car la régulation de température impose une fréquence de commutation importante. Pour laisser une marge de sécurité suffisante pour un courant de 17.4A, nous avons opté pour un calibre de 25A. Il est composé d’un triac ( 2 thyristors montés tête bêche) et permet de commander la puissance reçue par la résistance du four. Compte tenu de l’inertie de la charge, une commande en train d’ondes est suffisante. Prix : 31 € TTC Caractéristiques générales : 17 GEFRAN RA 24 25 06 : Tension nominale : 24…280 V Tension de commutat. Pour le zéro : ≤20 V Fréquence nominale : 45…65 Hz Courant nominal AC1 :25 A Surintensité répétitive t = 1 s : ≤ 55 A Dimensions : 45.5x30x58.2 mm Schéma fonctionnel : Le choix du capteur de température s’est porté sur un thermocouple pour permettre aux étudiants d’étudier ce matériel. Cela permet la diversification des connaissances étant données que les autres systèmes présents dans l’atelier sont équipés de sonde PT100. Thermocouple : Le thermocouple sert à mesurer la température à l’intérieur du four et renvoie cette information au 18 régulateur. Type de thermocouple : J (Fer – Nickel/Cuivre) Transformateur 230V/24V : La commande devant se faire à une tension de sécurité de 24V, l’utilisation d’un transformateur est nécessaire. Puissance : 64VA Courant secondaire : 2A Pré-équipé d’un fusible 2 A (calibre suffisant compte tenu des estimations de consommation de la commande et des voyants). Réalisation d’un câble pour relier le régulateur à un PC : 19 Il est possible de programmer le régulateur GEFRAN 600 à l’aide d’un PC. Pour ce faire il faut disposer d’un câble de raccordement. Pour des raisons d’économie nous avons réalisé le câble nous même et acheté un convertisseur RS232/RS485. Le kit que propose le constructeur à un coût d’environ 180€. Le câble ainsi que le convertisseur nous reviendra à environ 45€. Choix des bornes pour relier le câble : Choix du convertisseur : Convertisseurs RS 232-C et RS 485 : 20 Ces modèles permettent de convertir une interface RS 232-C en interface RS 485 et RS 422. Idéals pour l’échange de données entre deux appareils. Distance de transmission jusqu’à 1 km. Liaison point par point ou multiple possible (écoute simultanée de plusieurs appareils). Seules les lignes de données sont converties. Transmission duplex intégrale sur quatre lignes. Alimentation par l’adaptateur 9 VCC inclus. Synoptique : 21 L N Réseau 230 V ~ I ¹ Régulateur Thermocouple Four ³ R Commande ² Point de mesure : -¹ Image de la température en 0 - 10V (sortie du régulateur) -² Tension et courant aux bornes de l’élément chauffant -³ Commande du relais statique 22 Relais statique Q<0 Ec(p) + - Régulateur R(p) + + Thermocouple Tc(p) Q : perturbation 23 Four F(p) Ө(p) ) 3) - PLANS : Vue d’ensemble : Armoire 650 250 1000 800 440 Four 350 900 350 500 350 24 Face avant du coffret : Sous tension Chauffe Arrêt d’urgence Régulateur Commande relais statique Tension résistance Mesure de température Mise sous tension Courant résistance Marche 25 Arrêt Q0 4) - SCHEMAS : Puissance : 26 Commande : 27 5) – IMPLANTATION : Transformateur 230/24V CC Protistor 25A Relais statique 28 Intérieur du four : Résistance Thermocouple 29 6) – PRINCIPE GENERAL DU REGULATEUR PID: Le PID permet 3 actions simultanées sur l'erreur consigne/mesure : • Une action Proportionnelle : l'erreur est multipliée par un gain Gr • Une action Intégrale : l'erreur est intégrée sur un intervalle de temps Ti • Une action Dérivée : l'erreur est dérivée suivant un temps Td Réglage d'un PID : Le réglage d'un PID consiste à trouver les coefficients Gr, Td et Ti dans le but d'obtenir une réponse adéquate du procédé et de la régulation. L'objectif est d'être robuste, rapide, précis et de limiter les dépassements. La robustesse est sans doute le paramètre le plus important et délicat. On dit qu'un système est robuste si la régulation fonctionne toujours même si le modèle change un peu. Par exemple, les fonctions de transfert de certains procédés peuvent varier en fonction de la température ambiante. Notre régulateur doit être capable d'assurer sa tâche même avec ces changements pour éviter d’avoir à le reparamétrer. La réponse type d'un procédé stable est la suivante : e 30 Les paramètres du PID influencent la réponse du système de la manière suivante : Gr : Lorsque Gr augmente, le temps de montée est plus court mais il y a un dépassement plus important. Le temps d'établissement varie peu et l'erreur statique se trouve améliorée. Ti : Lorsque 1/Ti augmente, le temps d'établissement au régime stationnaire peut s'allonger mais dans ce cas on assure une erreur statique nulle. Td : Lorsque Td augmente, le temps de montée change peu mais le dépassement diminue. Le temps d'établissement au régime stationnaire est meilleur. Pas d'influences sur l'erreur statique. L'analyse du système avec un PID est très simple mais sa conception peut être délicate, voire difficile, car il n'existe pas de manière unique pour résoudre ce problème. Le régulateur idéal n’existant pas, il faut trouver des compromis. En général on se fixe un cahier des charges à respecter sur la robustesse, le dépassement et le temps d'établissement du régime stationnaire. 31 PARTIE III : BILAN DU PROJET 32 1) – ESSAIS ET DIFFERENTS RELEVES : Commande relais statique et courant résistance (configuration du régulateur en tout ou rien): Temps de chauffe Courant efficace dans la résistance Tension de commande des relais statique 0-24VCC 33 Commande relais statique et tension résistances (configuration du régulateur en tout ou rien) : Tension de commande du relais statique Tension efficace aux bornes de la résistance 34 Conclusion A ce stade de l’avancement du projet, la configuration du régulateur n’étant pas terminée, nous ne sommes pas en mesure de terminer ce rapport par une conclusion complète. Nous continuons l’avancement de notre réalisation durant les deux semaines restantes avant la présentation et espérons finir dans les délais avec un nouveau rapport plus conséquent. 35 Annexes 36 37