2) – presentation du materiel

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
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U
R
S
C
O
M
M
A
N
D
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AB
P
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L
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M
B
L
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L
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S
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A
U
INSTA
LLATIO
N
&
M
A
I
N
T
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N
A
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C
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EXPLO
ITATIO
N
P
O
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T
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M
B
L
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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