L`usage de la calculatrice est autorisé conformément au

DEVOIR
AUTOMATIQUEELECTROTECHNIQUE
METIERS DE L’EAU (1ère année)
L'usage de la calculatrice est autorisé conformément
aux dispositions de la circulaire n' 86.228 du 28 juillet 1996
L'usage des documents personnels est interdit
INSTRUCTIONS DESTINEES AUX CANDIDATS:
Le sujet comprend cinq parties:
1ère partie : PRESENTATION GENERALE.
Lecture : 10 min
2ème partie : CHOIX D’UN CAPTEUR
Durée conseillée :15 min
3ème partie: CONVERSION
Durée conseillée: 25 min.
4ème partie: COMMANDE LOGIQUE
Durée conseillée: 30 min
4ème partie: ELECTROTECHNIQUE
Durée conseillée: 30 min.
1ère partie : PRESENTATION GENERALE
Le synoptique de la station d’épuration de la station de la CC3F est donné
ci-dessous pour information, on y trouve en particulier le traitement biologique.
Sur les stations d’épuration, l’élimination de l’azote fait partie de ce que l’on appelle le
traitement biologique. La réduction des composés azotés est réalisée par un procédé appelé
nitrification/dénitrification La nitrification est l’oxydation de l’ammonium (NH4+) en nitrate
(NO3-) via le nitrite(NO2-). La dénitrification est un processus de respiration microbienne par
lequel les nitrates sont utilisés comme accepteurs d’électrons durant l’oxydation anaérobie de
la matière organique. La dénitrification convertit le nitrate en azote gazeux (N2O et N2) à
travers plusieurs étapes catalysées chacune par une enzyme spécifique.
Pour utiliser la capacité totale de dénitrification d’une station d’épuration, une mesure
continue de la concentration en nitrates à la sortie de l’étape de dénitrification est utile. La
recirculation des eaux usées dans la cuve de dénitrification est régulée de façon très efficace
avec cette mesure. Une faible valeur de nitrates, mesurée à cet endroit, signifie un degré de
recirculation plus efficace. Cela est synonyme d’économies. La mesure peut être réalisée à
l’aide de capteurs optiques tels que le Stamosens CNM750 (transmetteur) associé au CNS70
(capteur).
L’étape de dénitrification est influencée par la température, la valeur de pH, l’âge de la
boue et la concentration en composants organiques dégradables.
Le réseau d’alimentation de la station d’épuration est un réseau triphasé de tension
simple 230Vac. Les appareils électriques monophasés sont alimentés par la tension simple.
Les capteurs/transmetteurs sur la station délivrent tous du 4/20 mA et ne disposent pas de
spécifications particulières.
Dans cette étude de cas, on s’intéresse dans un premier temps au choix et au câblage
de l’ensemble CNM750/CNS70 . Dans la deuxième partie on souhaite comprendre la mesure
de température dans le bassin d’aération. Dans la troisième partie, on étudie la recirculation
des boues par pompage. En dernier lieu, on s’intéresse au réseau d’alimentation de la station
d’épuration
2ème partie : Choix du matériel Hendress + Hauser
Pour cette partie, on utilise la documentation fournie en annexe 1. Les réponses sont
uniquement issues ou déduites de cette documentation et seront données en français. Au cas
où la traduction en français pose problème, la réponse pourra être très partiellement en
anglais.
Question 1: Déterminer les grandeurs ayant une inflence sur la mesure de la concentration en
nitrate.
Question 2: Donner la valeur de la puissance apparente maximale absorbée par le
transmetteur
Question3: Le transmetteur est alimentée en tension simple, calculer la valeur d’intensité
maximale absorbée par cet appareil.
Question 4: Donner le temps minimal entre deux mesures.
Question5: Déterminer si l’appareil CNM750 doit être ou non relié à la terre, justifier.
Question6: Sachant que le capteur est plongé d’environ 1,5 mètre dans l’eau, qu’il est distant
de 8 m du transmetteur et que la concentration en nitrate ne dépasse pas 5mg/L, déterminer la
référence (le code produit) du CNM750 et la référence (le code produit) du CNS70.
Remarque : en cas d’ambiguité, donner les différents codes possibles.
3ème partie: Etude de la sonde de température
La température dans le bassin d’aération est mesurée à l’aide d’un capteurtransmetteur de température, d’étendue d’échelle de -10°C à +40°C. Le signal 4-20 mA de
sortie du transmetteur est appliqué sur une entrée analogique du module d’entrées/sorties d’un
automate programmable industriel (API)
L’API est le «cerveau» de l’installation et est programmé en langage GRAFCET.
TRANSMETTEUR
Température
Signal 4 à 20 mA
CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE
Signal binaire sur 8 bits
API
La représentation de la caractéristique du transmetteur est fournie ci-dessous.
sortie (mA)
20
4
Température (°C)
-10
+40
Question 7: Déterminer la valeur en mA image de +15°C
Question 8: Déterminer mathématiquement la valeur de la température correspondant à 14
mA.
L’intensité du courant 4/20mA est convertie en nombre binaire naturel non signé sur 8
bits par un convertisseur analogique numérique. Le tableau ci-dessous regroupe les valeurs
caractérisant la chaîne de mesure de température.
Température (°C)
-10
+40
Intensité délivrée par le
tranmetteur (mA)
4
20
Valeur de conversion binaire
sur 8 bits
00000000
11111111
Question 9: Déterminer le nombre de valeurs codables avec 8 bits
Question 10: Vérifier qu’une valeur binaire est associée à une plage de température de
0,1953°C
Question 11: Pour une certaine température, on trouve comme valeur binaire 00101011,
convertir cette valeur binaire en héxadécimal et en décimal.
La représentation binaire est rappelée ci-dessous
-10
-9.8047
-9.6094
00000000 00000001
...
...
+39.8407
+40
11111110 11111111
Question 12: Déterminer la valeur binaire associée à 12 mA
Question 13: Déterminer la plage de température associée à la valeur en octal 17.
4ème partie: Etude de la recirculation des boues par pompage
La recirculation dans la phase de traitement biologique est assurée par deux pompes
(comme indiqué sur le synoptique de la station).
Pour expliquer cette recirculation, un schéma simplifié est proposé-dessous. Le
remplissage du réservoir est effectué par surverse et n’est pas représenté ici.
Soit la station de pompage suivante:
P1
P2
P1
P2
F
F
N2
C
N1
réservoir
P1, P2 : pompes de recirculation
N1, N2 : détecteurs de niveau respectivement bas et haut
F : flotteurs
C: Inverseur
Les détecteurs de niveau N1 et N2 sont actionnés par les flotteurs F. Les détecteurs N1
et N2 sont à l'état logique 1 si le niveau d'eau leur est supérieur.
Fonctionnement:
- Si le niveau d'eau < N1 alors aucune pompe ne fonctionne
- Si le niveau d'eau < N2 et le niveau d'eau > N1 alors une seule pompe fonctionne:
- Pompe P1 si C=0
- Pompe P2 si C=1
- Si le niveau d'eau > N2 alors les deux pompes fonctionnent
Question 14: Identifier les entrées et les sorties du système
Question 15: Réaliser la table de vérité des deux pompes suivant l’ordre suivant
N1
N2
C
P1
P2
Question 16: Déduire de votre table de vérité l’équation logique de P1 et P2
Question 17: Représenter le logigramme de l’équation P1
Question 18: Représenter le schéma électrique de l’équation de P2
5ème partie : Réseau d’alimentation de la station d’épuration
Le réseau de la station d’épuration est triphasé de tension simple 230Vac en valeur
efficace et de fréquence 50 Hz.
Question 19: Déterminer la valeur efficace de la tension composée, rappeler la formule
utilisée.
Question 20: Déterminer la valeur de maximale de la tension composée, rappeler la formule
utilisée.
Question 21: Déterminer la période de la tension composée, rappeler la formule utilisée
Question 22: Représenter en fonction du temps deux des trois tensions composées, on fera
clairement apparaître les échelles utilisées sur votre tracé et/ou les valeurs «stratégiques».
Question 23: Vu votre tracé précédent, représenter ces deux tensions composées sur un
diagramme de fresnel.
Question 24: On souhaite faire des mesures de tension en valeur efficace sur le réseau, citer
le nom de l’appareil utilisé.
Question 25: Sur un moteur triphasé présent sur l’installation, on mesure une puissance
électrique P de 4800 W et un facteur de puissance de 0,8.
Déterminer la valeur de la puissance active, réactive, apparente et la valeur de
‘l’intensité par fil de ligne absorbée par le moteur
ANNEXE 1