Les stores d`extérieurs Quelles sont les solutions techniques et

TPE
Des mécanismes aux systèmes automatiques
Les stores d'extérieurs
Quelles sont les solutions techniques et
technologiques qui permettent
d'automatiser un store d'extérieur ?
DUPRAT Vincent et GIRARD Thibault
1° SN
Année 2008-2009 Lycée Gustave EIFFEL
Encadrés par Mr Leclerq et Mr Arné
TPE les stores d'extérieurs
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Sommaire
Sommaire
Remerciements
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Introduction
Page 4
I) Analyse fonctionnelle du système
Page 5
1) Le store manuel
Page 5
2) Le store automatique
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3) Définitions des seuils
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II) Le store automatique d'un point de vue mécanique
Page 11
1) Le fonctionnement du store
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2) Le choix du moteur
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3) Le système de « secours » : La manivelle
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III) Le store automatique d'un point de vue électrique
1) Réagir avec l'environnement
A) Le fonctionnement des capteurs
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a) Vent
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b) Soleil
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c) Début et fin de course
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B) Le boîtier de commande
2) Un API est-il nécessaire ?
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a) Fonctionnement d'un API
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b) Les mêmes fonctions sont réalisées avec nos propres circuits
Page 29
c) La différence ? Quelle solution choisir ?
Page 31
IV) Améliorations possibles dans le futur
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Bibliographie
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Fiche de synthèse personnelles
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Vincent Duprat
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Thibault Girard
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TPE les stores d'extérieurs
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REMERCIEMENTS
Nous tenons à remercier plus particulièrement :
Mr Leclerq (professeur de SI) pour son encadrement, ses conseils concernant la
partie électrique et son aide sur les synthèses personnelles.
Mr Arne (professeur de SI) pour son encadrement, ses conseils et son aide
concernant la partie mécanique.
Mr Philippe GIRARD (directeur de l'IUFM) pour avoir relu notre travail et nous avoir
prodigué quelques conseils.
La société Komilfo pour son accueil, ses conseils professionnels et pour la
documentation qu'elles nous a fournit
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INTRODUCTION
Thème : Des mécanismes aux systèmes automatiques
Sujet : Les stores d'extérieurs
Matières : Sciences de l'ingénieur
Problématique : Quelles sont les solutions techniques et technologiques qui
permettent d'automatiser un store d'extérieur ?
Après un bon repas, vous vous installez sur votre terrasse, et commencez à somnoler.
Très agréable moment, mais cela est très énervant de devoir se lever en pleine sieste
pour descendre son store et ainsi éviter les « coups de soleil » ? Surtout que de nos
jours, des stores d'extérieurs sont équipés pour s'adapter à ce changement sans
avoir à interrompre votre sieste.
En effet au XXI ème siècle, le temps des stores de terrasse descendus et remontés
manuellement est révolu. Maintenant avec les progrès technologiques de la domotique,
il est habituel de voir des stores extérieurs automatiques. Pendant notre TPE, nous
étudierons les solutions technologiques qui permettent d'automatiser un store de
terrasse. Nous verrons tout d'abord que ce store doit remplir des fonctions que nous
définirons. Ensuite, nous analyserons le store automatique d'un point de vue
mécanique pour qu'il réponde aux contraintes et aux fonctions du « cahier des
charges ». Enfin, nous analyserons les solutions d'automatisation du store d'un point
de vue électrique .
Grâce à cette démarche, nous serons en mesure de fabriquer un prototype
fonctionnel .
A la fin de la réflexion de ce TPE, nous verrons que beaucoup d'améliorations sont
possibles pour le store de demain.
Il existe de nombreuses sortes de stores dans un maison (voir ci-dessous) et la
plupart peuvent être automatisés. Dans ce dossier on étudiera plus particulièrement
le store d'extérieur en toile de style banne.
TPE les stores d'extérieurs
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Partie I : Analyse fonctionnelle du système
Dans cette première partie, nous allons analyser les fonctions que doit remplir ce
store, c'est à dire que nous allons établir le « cahier des charges » pour notre store
automatique. Nous analyserons tout d'abord le store manuel, pour ensuite voir en quoi
le store automatique pourra améliorer le confort de l'utilisateur.
En premier lieu, définissons la fonction principale de tout store d'extérieur manuel. Il
est là pour répondre à un besoin de l'utilisateur : faire de l'ombre lorsque celui ci en a
envie, comme nous le montre le graphe « bête à cornes » suivant :
( Pour qui agit-il ? )
( Sur quoi ? )
Soleil
Utilisateur
Store extérieur
manuel
( Le Système )
Faire de l'ombre en
s'adaptant aux envie
de l'utilisateur
( Son but ? )
Pour ce faire, il doit répondre à plusieurs contraintes : s'adapter à tous les supports
auxquels il est susceptible d'être fixé, être facile à manipuler pour les utilisateurs,
plaire à l'utilisateur au niveau visuel et respecter les normes qui garantissent la
sécurité.
Ce store manuel a plusieurs avantages : il est très simple et de par cette simplicité
très fiable. Mais cette simplicité entraîne un inconvénient : il nécessite l'intervention
de l'utilisateur et un effort de sa part à chaque fois qu'il doit être manipulé.
C'est donc pour supprimer cet inconvénient majeur que l'automatisation du store est
un plus. En effet, on peut remarquer qu'un store manuel est toujours manipulé aux
mêmes moments. Ces manipulations sont à chaque fois prévisibles par la simple mesure
de quelques éléments :
•l'utilisateur veut avoir de l'ombre lorsque la luminosité est trop importante, comme
en milieu d'une journée ensoleillée d'été par exemple. Lorsque l'on mesurera ce
changement de luminosité il faudra donc déplier le store. Au contraire il faudra le
replier lorsque la luminosité baisse, comme en fin de journée par exemple, car
l'utilisateur ne veut plus d'ombre à ce moment là.
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•Il y a même des fois où le fait de laisser le store déplié peut être dangereux pour le
store lui même car il pourrait être endommagé, mais surtout pour l'utilisateur qui
pourrait être blessé par la chute d'éléments notamment en cas de vent. Il faut donc
fixer un seuil limite de vent au delà duquel le store se repliera de lui même.
Nous voyons bien ici que notre store automatique pourrait facilement réagir en
fonction de la simple mesure du vent et de la luminosité ambiante. Mais parfois, même
s'il y a une forte luminosité, l'utilisateur peut ne pas vouloir d'ombre. Par exemple
lorsque la luminosité due au soleil n'est pas gênante comme un après midi ensoleillé en
hiver par exemple. Dans ce cas là l'ombre faite par le store s'il se déplie n'est pas
souhaitable car l'utilisateur aimerait peut-être profiter de ce soleil.
Pour ces situations qui sortent des capacités de l'automatisme, car il ne sait pas
distinguer une forte luminosité gênante d'une forte luminosité agréable, il est
nécessaire de prévoir un système de commande direct par l'utilisateur pour ordonner
la montée ou la descente du store quand il le souhaite.
Par contre, il apparaît aussi que à certains moments, les commandes que l'utilisateur
veut donner seront opposées à celles données par l'automate. Il faudra donc que
l'utilisateur puisse choisir de n'activer qu'un seul des deux modes de fonctionnement
(manuel ou automatique).
Ce choix de pouvoir donner la priorité à un des deux systèmes de commande entraîne
avec lui un gros inconvénient : l'utilisateur pourrait choisir de déplier le store, ou de
ne pas le replier, dans des situations dangereuses, comme en cas de vent par exemple.
Cela entraîne donc des risques physiques pour l'utilisateur. Il faudra donc prévoir
d'informer l'utilisateur lorsqu'il y a trop de vent pour garantir sa sécurité.
Même si en France, actuellement nous avons presque tout le temps l'électricité du
secteur disponible, elle est quelquefois coupée à cause d'intempéries ou de travaux.
Sur notre store, il y a donc un système « de secours » pour pouvoir manipuler le store
de façon manuelle en toutes circonstances.
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Toutes ces différentes parties de notre store automatique peuvent être schématiser
ainsi :
Acquiert et
envoie des
informations sur
l'état de
l'environnement
Environnement
Utilisateur
Capteur
d'intensité lumineuse
+
Anémomètre
Boîtier de
commande
Automatisme
du store
Manivelle de
secours
Manipule
Système de
motorisation du store
Toile du store
TPE les stores d'extérieurs
Reçoit et
transmet les
ordres reçus
Commande en
fonction des
informations
reçues
Manipule
Créé de l'ombre
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Nous venons de décrire toutes les fonctions que notre store automatique doit remplir.
Ces fonctions peuvent être retrouvées grâce à l'outil suivant :
le diagramme « pieuvre »
L'utilisateur
FP1
FC3
Soleil
Store automatique
d'extérieur
FP3
FC2
Énergie
électrique
du secteur
FP2
FP4
Vent
FC4
FC1
Support
On obtient alors les fonctions suivantes qui peuvent être réparties en deux
catégories, les fonctions principales et les fonctions de contraintes :
Fonctions Principales :
FP1 : Protéger du soleil en déplaçant le store (ou en actionnant le moteur)
FP2 : Éviter la détérioration du store en fonction du vent
FP3 : Déplacer le store sur ordre de l'utilisateur en utilisant l'énergie électrique
FP4 : Informer l'utilisateur d'un excès de vent
Fonctions Contraintes :
FC1 : S'adapter au support sur lequel il doit être fixé
FC2 : Utiliser l'énergie électrique fournie par le secteur
FC3 : Être facile d'utilisation pour l'utilisateur
FC4 : protéger dès que le vent atteint le seuil réglable
[Contraintes supplémentaires :
respecter les normes
Être fiable
Être compétitif au niveau du prix
Plaire à l'utilisateur]
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Caractérisations sur ces fonctions :
FP1 : temps de remontée : 12,5 secondes
seuils à atteindre pour la descente du store : 100 000 lux
seuils à atteindre pour la remontée du store : 70 000 lux
FP3 : système automatique ou manuel par un sélecteur
FP4 : Voyant lumineux en cas de vent supérieur au seuil réglé grâce à une DEL
FC1 : Mur vertical ou partie horizontale sous l'avant-toit
facilité de montage par vis
FC2 : S'adapter au courant alternatif 230 volts 50hertz
FC3 : Réglages simples à réaliser à l'aide d'un tournevis
boîtier de commande le plus simple possible (voir partie III.1.B)
FC4 : Remonter le store dès que le vent atteint la vitesse de 10km/h
Toutes ces possibilités d'actions peuvent être synthétisées ainsi :
● S'il y a plus de vent que le seuil limite ou s'il y a moins de soleil que la limite
inférieure et si le store n'est pas dans sa position haute maximale, il faut le
remonter.
● S'il n'y a pas plus de vent que le seuil limite et s'il y a plus de soleil que la limite
supérieure et si le store n'est pas dans sa position basse maximale, il faut le
descendre.
● S'il y a plus de vent que le seuil limite, il faut allumer le voyant lumineux du
boîtier de commande.
● Si l'utilisateur appuie sur le bouton descente du boîtier de commande et si le
store n'est pas dans sa position basse maximale, il faut le descendre.
● Si l'utilisateur appuie sur le bouton montée du boîtier de commande et si le
store n'est pas dans sa position haute maximale, il faut le monter.
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On utilisera les mnémoniques suivantes :
Mnémoniques d'entrée :
Mnémoniques de sortie :
L+ : Seuil supérieur de luminosité atteint
ou dépassé
L- : Seuil inférieur de luminosité atteint
ou dépassé
V : Seuil limite de vent atteint ou dépassé
B : Store en position basse maximale
H : Store en position haute maximale
D+ : Commande manuelle de descente du
store
M+ : Commande manuelle de montée du
store
M : Monter le store
D : Descendre le store
Vo : Allumer le voyant lumineux d'alerte
de vent
On obtient les équations logiques suivantes :
M = [ (M+) . (H) ] + [ (H) . ( (L-) + (V) ) ]
D = [ (B) . (D+) ] + [ (B) . (V) . (L+)]
Tout cela peut être schématisé ainsi :
Schéma logique
M+
H
=1
L-
≥1
V
=1
L+
B
D+
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=1
&
M
&
M
Vo
&
&
D
&
D
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Partie 2 : Le store automatique
d'un point de vue mécanique
1) Le fonctionnement du store
Dans cette deuxième partie, nous allons étudier le système d'un point de vue
mécanique. Nous étudierons tout d'abord le fonctionnement global du store. Ensuite
nous calculerons les caractéristiques nécessaires du moteur. Et enfin nous verrons le
système « de secours » : la manivelle qui permet de manipuler le store en toutes
circonstances.
Notre store automatique est constitué de plusieurs ensembles de pièces. Tout
d'abord, il y a une partie fixée au support (ici un mur) .
Sur cet ensemble, un tube est fixé : c'est autour de celui-ci que la toile vient
s'enrouler et c'est aussi à l'intérieur de celui-ci qu'est placé le moteur qui permet
d'enrouler et de dérouler la toile.
Sur cette même partie fixe, un premier bras est installé de chaque côté. Puis un
second bras est fixé au bout de celui-ci. Ces deux bras servent à pouvoir modifier la
longueur dépliée du store tout en gardant un point de fixation constant sur la barre
de charge. Ces bras ont une seule possibilité de mouvement : une rotation dans le plan
incliné de 30° par rapport à l'horizontal.
Ces deux seconds bras sont reliés à leurs extrémités par une barre de charge à
laquelle l'autre bout de la toile est attaché.
Ce système peut être schématisé ainsi :
Classes d'équivalence : Schéma cinématique :
1) Partie fixée au mur
2) Bras n°1
3) Bras n°2
4) Toile
5) Barre de charge
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vue de côté
vue de dessus
2
3
4
1
5
2
3
1
5
4
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En faisant le bilan des forces qui s'appliquent sur le store, on trouve :
● Le poids P (en Newton) = m (la masse en kg) x G (la constante de gravité sur
terre
en
USI)
pour notre étude, on considérera que le poids s'applique uniquement en un seul
point situé à l'extrémité du store. Cela nous permet de faire les calculs
suivants et en plus cela n'empêchera pas le fonctionnement normal du store
étant donné qu'avec le levier que nous avons ici, il faudra que le moteur
fournisse plus de force que dans la réalité pour manipuler le store.
● La force de traction T exercée par le moteur sur la toile pour manipuler le
store.
● La force des bras du store, qui sont fixés au mur, assure l'équilibre du store.
● On néglige les forces dues au vent qui seront contrées par l'action des bras.
Dans cette étude, on négligera les forces de frottement qui interviennent lors de la
rotation du tube et du mouvement des bras. Pour compenser cette imprécision, on
prendra un rendement η de 0,7.
On obtient alors le schéma suivant :
Bilan des forces :
Mur
Toile
α = 30°
entre le store et
l'horizontale
Force exercée par
les bras
T
(Traction)
On peut décomposer le poids du store en Px
et Py
Mur
Toile
(2,5 mètres)
P
(Poids)
α = 30°
entre le store et
l'horizontale
Force exercée
par les bras
T
(Traction)
(2,5 mètres)
Px
Py
Avec ces deux schémas (cinématique et bilan des forces) on voit bien que le simple
fait d'augmenter la longueur de la toile permet de déplier le store car le seul
mouvement autorisé pour la barre de charge est une translation dans le plan défini par
les bras du store. De plus l'action de la force Px permet de maintenir la toile tendue
en toutes circonstances tant que cette force n'est pas compensée par les bras qui
sont déjà dépliés au maximum. Mais cela est impossible car les bras complètement
dépliés mesurent 2,58 mètres alors que la toile ne se déplie au maximum que de 2,50
mètres.
TPE les stores d'extérieurs
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La longueur des bras a été calculée ainsi :
La longueur maximale de toile dépliée est de 2,50 mètres. On veut garder au minimum
un angle de sécurité de 30° pour les bras lorsqu'ils sont complètement dépliés :
bras
15°
30°
bras
2,50m
150°
15°
1,25m
75°
On a donc cos 15° = 1,25 / longueur du bras
donc la longueur d'un bras est de 1,29 mètres.
2) Le choix du moteur
Maintenant que nous avons vu qu'il suffit de faire varier la longueur de toile
disponible pour plier et déplier le store, nous allons nous pencher sur le moyen de
faire varier cette longueur : un moteur électrique qui entraîne un tube sur lequel la
toile vient s'enrouler.
Ce moteur fournit donc la force de traction T représentée sur le schéma bilan des
forces.
Cette force T doit être d'intensité :
T = P / 2 x sin α
Nous avons choisi un angle de 30° entre le store et l'horizontale et notre store de
3,50 mètres sur 2,50 mètres pèse 22,0 kg. Dans ces 22,0kg, nous ne comptons pas le
poids de la toile car il est négligeable comparé à celui de la barre de charge et des
bras.
Notre moteur doit donc fournir une force de traction T = 55,0 N
Sachant que l'on veut remonter le store en 12,5 secondes, la vitesse de remontée
attendue est de 200mm /sec . Le tube fixé au moteur ayant un rayon extérieur de 50
mm , il faudrait une vitesse de rotation ω de :
ω = vitesse ( en mm/sec ) / périmètre du tube (en mm)
donc : ω ≈ 0,63 tour / seconde
ω ≈ 4 radians / seconde
La puissance utile du moteur vaut :
Putile = ω (la vitesse angulaire) x r (le rayon) x T
donc ici : Putile ≈ 11 Watts
TPE les stores d'extérieurs
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Mais la puissance réelle fournie par le moteur doit être supérieure à cette puissance
utile pour contrer tous les frottements et autres phénomènes non pris en compte
dans nos calculs. Nous avons donc choisi un rendement η = 0,7
La puissance du moteur vaut donc :
Pmoteur = Putile / η = 15,7 Watts
Le couple du moteur est une autre caractéristique importante à déterminer. Il peut
être
calculé
par
la
formule
suivante
:
C = Pmoteur / ω
C ≈ 2,75 Newton / mètres
Il nous faut donc un moteur électrique à courant continu qui délivre une puissance de
15,7 Watts et un couple de 2,75 N.m
Maintenant que nous avons vu les moyens mécaniques d'automatiser le store, il nous
faut encore prévoir un moyen de le manipuler manuellement pour les fois par exemple
où il y a une coupure d'électricité. Il faut donc prévoir une manivelle qui pourra agir
sur le store comme celles des stores extérieurs manuels. Par contre, il faut que la
manivelle puisse s'enlever lorsqu'elle ne sert pas car cela n'est pas très esthétique.
Le tube du store pour remonter à sa vitesse normale doit effectuer un peu plus d'un
tour par seconde ce qui paraît raisonnable pour un homme donc il n'est pas nécessaire
de démultiplier la force de l'utilisateur par un système d'engrenage.
Par contre le moteur lorsqu'il est inactif oppose une résistance aux mouvements du
tube pour empêcher la descente du store. Il faut donc penser à le mettre en « roue
libre » pour qu'il n'oppose pas de résistance et que l'utilisateur n'ait pas besoin de
forcer plus que nécessaire pour remonter le store.
TPE les stores d'extérieurs
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Partie 3 : Le store automatique
d'un point de vue électrique
1)Réagir avec l'environnement
A) le fonctionnement des capteurs
a) Vent
Afin d’éviter que le store ne soit détérioré par le vent, il faut enrouler la toile dès
que la vitesse du vent atteint un seuil limite.
Étude fonctionnelle :
La chaîne d’acquisition du vent permet de:
• Acquérir une information de vitesse du vent, donnée sous la forme d'une
tension directement proportionnelle à la vitesse du vent.
• Détecter si la vitesse limite du vent est dépassée, sous la forme d’une
information de type logique (Tout ou Rien). Cette information sera envoyée
au circuit électronique qui fait office d'API.
21 V C.C
V
Convertir une
vitesse linéaire
en une tension
capteur vent
We ( 5 V C.C. )
Comparer la
vitesse du
vent à une
consigne
comparateur de tension
En théorie, le Tachymètre à courant continu est un générateur électrique utilisé pour
mesurer la vitesse angulaire. Une bobine placée sur un rotor est libre de tourner dans
un champ magnétique produit par deux aimants permanents. Les deux bouts de la
bobine sont connectés à un collecteur. Les balais et le collecteur agissent comme un
redresseur. Il reprend le principe de fonctionnement d’une dynamo transformant
l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique par phénomène d’induction. Le
tachymètre produit donc une tension directement proportionnelle à la vitesse
angulaire.
Un tachymètre peut être schématisé ainsi :
TPE les stores d'extérieurs
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U = a x n avec a = ( 2 π R I N L )/60
Un tachymètre CC a les spécifications suivantes :
• R = 0.03m = rayon moyen de l’enroulement
• I = 0.2Wb/m2 = induction magnétique
• N = 220 = nombre conducteurs
• L = 0.15m = longueur de chaque conducteur
a = 2 π RINL / 60 = 2 π (0.03)(0.2)(220)(0.15) / 60 = 0.0207 V par (tr/min)
donc Pour 1000 tr/min, on a U = a x n = 0.0207 x 1000 = 20.7 Volts
Pour 2500 tr/min, on a U = a x n = 0.0207 x 2500 = 51.8 Volts
Pour 3250 tr/min, on a U = a x n = 0.0207 x 3250 = 67.3 Volts
Puis la tension délivrée par la dynamo tachymétrique est insérée dans un comparateur
qui nous permettra d'avoir une information de type logique. Grâce à la courbe
d'étalonnage que nous avons trouvé, on peut en déduire à partir de quelle tension il
faut remonter le store pour le protéger.
Dans notre région, les stores sont remontés automatiquement lorsqu'il y a plus de
10km/h de vent soit
10 km/h = 10 000 m/h = 167m/min
avec un rayon du capteur r = 10 cm
donc 10 km/h représentent environ n = vitesse / (2 π r) = 266 tr/min
soit 266 tours par minute
donc 266 * 0.0207 V = 5,5 Volts
TPE les stores d'extérieurs
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b)Soleil
La fonction principale du store est de faire de l'ombre à son utilisateur. Un capteur
de luminosité permettra de descendre ou monter le store en fonction du temps qu'il
fera.
Étude fonctionnelle :
La chaîne d’acquisition du soleil permet de:
• Acquérir une information de luminosité, donnée sous la forme d'une tension.
• Détecter la luminosité, sous la forme d’une information de type logique
(Tout ou Rien). Cette information sera envoyée au circuit qui fait office
d'API.
Pour acquérir l'information nous allons utiliser une photorésistance (LDR). Mais qu'est
qu'une photorésistance ? Une photorésistance est un composant électronique dont la
résistivité varie (souvent une diminution) en fonction de l'augmentation de lumière qui
l'atteint. A partir d'un courant donné, la tension délivrée après la photorésistance
variera en fonction de la luminosité.
Une photorésistance est composée d'un semi-conducteur à haute résistivité. Si la
lumière incidente est de fréquence suffisamment élevée, les photons absorbés par le
semi-conducteur donneront aux électrons liés, assez d'énergie pour sauter dans la
bande de conduction. Les électrons libres ainsi produits abaisseront la résistance de
l'ensemble.
TPE les stores d'extérieurs
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Un problème se pose : la lumière extérieure varie de 70 000 à 100 000 lux alors que
nos LDR ne peuvent supporter que 10 à 10 000 lux. Nous allons donc utiliser un filtre
qui divisera l'intensité de la lumière par 10 sinon notre LDR sera saturée et ne fera
pas la différence entre un temps trop lumineux et un temps pas assez lumineux.
TPE les stores d'extérieurs
V R soleil
R
Avec ce schéma d'utilisation, on a
d'après la « loi des mailles » :
Vcc = Vsortie + Vr
et I = Vcc / (R + Rsoleil)
donc
Vcc
Vsortie = R x Vcc / (R + Rsoleil)
On prend une tension alimentation de 5
Volts, Vcc = 5 Volts et une résistance R de
100 ohms, R = 100 ohms.
On a donc :
Vsortie = 500 / (100 + Rsoleil)
R soleil
Pour pouvoir mesurer l'intensité lumineuse ambiante, nous allons placer cette LDR
dans ce circuit :
V sortie
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courbe d'étalonnage de la photorésistance :
Courbe représentative de la fonction Vsortie = f(Rsoleil)
3,5
V sortie (volts)
3
2,5
2
1,5
1
70
80
90
100
110
120
130
140
150
R soleil (ohms)
TPE les stores d'extérieurs
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La lumière qui arrive à la photorésistance a une intensité de :
10 000 lux en plein soleil
7 000 lux par temps voilé
D'après la courbe d'étalonnage de notre photorésistance, les seuils des valeurs des
résistances sont :
limite supérieure : 90 ohms
limite inférieure : 120 ohms
On calcule alors les seuils des tensions de sortie car ce sont elles que l'on va pouvoir
comparer.
● Limite supérieure de luminosité : il faut descendre le store lorsque la tension
de sortie dépasse
Vsortie = 500 / (100 + 90) = 2,63 V
● Limite inférieur de luminosité : il faut monter le store lorsque la tension de
sortie est en dessous de
Vsortie = 500 / (100 + 120) = 2,27 V
Cette tension sera insérée dans deux comparateurs : un pour monter le store, l'autre
pour descendre le store.
La sortie du comparateur 1 ordonnera la descente du store tandis que la sortie du
comparateur 2 ordonnera la remontée du store.
TPE les stores d'extérieurs
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L'information de sortie de ce capteur peut être représentée ainsi :
Intensité lumineuse ambiante
(en lux)
10 000
7 000
Temps
Tension de sortie du
comparateur 1
(en Volts)
+Ve
Tension de sortie du
comparateur 2
(en Volts)
+Ve
TPE les stores d'extérieurs
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Le comparateur de tension
Le comparateur de tension a un fonctionnement relativement simple. Il produit une
différence de potentiel de type logique notée VS qui indique si les deux tensions
d’entrées VE1 et VE2 sont inférieures ou supérieures.
En général, l’une des deux tensions est constante alors que l’autre est variable.
La valeur de la tension de sortie dépend de plusieurs paramètres du système utilisé :
pour réaliser la fonction « Comparaison de tensions » :
-le niveau logique 1 est équivalent à la tension appelée VSAT+=(+VCC)-tension
de déchet haute,
-le niveau logique 0 est équivalent à la tension appelée VSAT-=VEE+tension de
déchet basse.
(+VCC) : tension d’alimentation positive du composant
(VEE) : tension d’alimentation négative du composant
tension de déchet : c’est une chute de tension par rapport à l’alimentation du
composant.
Toutes ces données se trouvent en analysant le câblage du composant pour
déterminer les valeurs de (+VCC) et (-VCC) puis par une analyse de la documentation
constructeur du composant (pour les tensions de déchets).
En résumé, si la tension constante est supérieure à celle insérée dans le comparateur,
on a une information logique 0 alors que si la tension insérée est supérieure à la
tension constante, on aura donc une information logique 1.
donc si V+ › V- on a Vs=+Vcc
V+ ‹ V- on a Vs=0
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c)Début et fin de course
Le dernier paramètre en fonction duquel le store doit réagir est le fait que le store
soit descendu au maximum ou remonté au maximum. En effet, il ne faut pas qu'une
fois le store remonté, le moteur continue à tourner sinon il détériorerait le store.
Nous allons donc mettre en place des capteurs de début et de fin de course.
Le problème est de savoir comment détecter que le store est entièrement déroulé ou
enroulé. On ne peut pas compter le nombre de tours que fait le moteur sinon il nous
faudrait la présence d'un API (Automate Programmable Industriel) ce qui n'est pas le
plus adapté car le fonctionnement du store n'est pas séquentiel. Nous avons donc
décidé de mettre une capteur mécanique qui fonctionne ainsi :
Sur l'arbre du moteur, une vis est rattachée; elle est donc solidaire de l'arbre du
moteur au niveau de la rotation.
Cette vis est vissée dans un écrou qui est rattaché par une liaison glissière à la partie
fixe du store.
Ainsi au fur et à mesure que le tube entraîné par le moteur va tourner, l'écrou va
avoir un mouvement de translation.
Cela peut être schématisé ainsi :
les différentes classes d'équivalence sont :
1) la vis fixée au moteur
2) l'écrou
3) La partie fixe qui empêche la rotation de l'écrou
3
1
moteur
2
Ainsi à chaque tour du moteur, l'écrou se déplace latéralement de la valeur du pas de
la vis.
On définit le point de départ de l'écrou c'est à dire la position de l'écrou lorsque le
store est complètement relevé que l'on note A. On note B la position de l'écrou. On
peut donc dire que AB = Valeur du pas x Nombre de tour effectué par le moteur.
Le moteur doit faire environ 15,9 tours pour dérouler entièrement le store. On peut
donc dire que la longueur maximale de AB doit être
AB max = 15,9 pas
Grâce à cela, on peut maintenant utiliser deux ILS (Interrupteurs à Lame Souple) qui
sont des interrupteurs normalement ouverts et qui se ferment lorsque quelque chose
appuie légèrement dessus (car cette action déforme l'une des deux lames qui vient au
TPE les stores d'extérieurs
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contact de l'autre et ferme le circuit).
Ainsi on place un ILS (1) à AB = 0 et un autre ILS (2) à AB = 15,9 pas
Donc le circuit (1) normalement ouvert par l'ILS (1) sera fermé uniquement lorsque le
store sera complètement replié. Au contraire le circuit (2) normalement ouvert par l'
ILS (2) sera fermé uniquement lorsque le store sera complètement déplié. On pourra
donc stopper le store exactement au bon moment en mesurant si ces deux circuits
sont ouverts ou fermés.
L'information de sortie de ces capteurs peut être représentée ainsi :
Longueur de toile
dépliée (en mètre)
2,50
Temps
Tension de sortie du
circuit (2)
(en Volts)
+Ve
Temps
Tension de sortie du
circuit (1)
(en Volts)
+Ve
Temps
TPE les stores d'extérieurs
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B) Le boîtier de commande
Nous avons eu le problème des systèmes de commande de ce store pour qu'ils
prennent en compte le vent, le soleil et les instructions de l'utilisateur. On a donc
choisit de diviser la partie électrique en plusieurs éléments : un boîtier contenant le
circuit d'alimentation (pour le moteur et les capteurs), un boîtier de commande
actionné par l'utilisateur et un autre qui déclenche le moteur en fonction des
informations reçues.
Nous avons donc deux parties: la partie contenant le circuit d'alimentation et le
boîtier de commande actionné par l'utilisateur qui va décider si le store est en mode
manuel ou automatique.
Étude fonctionnelle :
Le système de commande du store permet de :
•
Alimenter le moteur ou les capteurs suivant le mode demandé
•
Passer du mode manuel au mode automatique
•
Prévenir l'utilisateur s'il y a trop de vent
•
Mettre sous ou hors tension le store
Le boîtier de commande qui est actionné par l'utilisateur fait office de lien entre
l'homme et la machine. Ce boîtier est tout d'abord composé d'un bouton on/off qui
permet de mettre sous tension ou non le store. Puis nous avons un interrupteur pour
choisir entre le mode manuel et le mode automatique. En mode manuel l'utilisateur a
ici le choix entre monter ou descendre le store à l'aide d'un bouton. En mode
automatique, on alimente les capteurs et les circuits qui gèrent les automatismes.
Il y a donc deux circuits qui sont alimentés suivant le mode choisi mais on peut
remarquer que le capteur éolien est toujours alimenté car il permet grâce à une LED
de prévenir l'utilisateur si le vent est trop élevé ou non. Le moteur est alimenté quand
il faut monter ou descendre le store.
Monter
M+
D+
Descendre
Manuel
Alimentation capteurs :
vent + début + fin de
course + circuit manuel
Vcc
On / Off
TPE les stores d'extérieurs
Automatique
Alimentation capteurs :
vent + soleil + début + fin
de course + circuit
automatique
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1)Un API est-il nécessaire ?
a) fonctionnement d'un API
L'automate Programmable Industriel, API (en anglais Programmable Logic Controller,
PLC) est un dispositif similaire à un ordinateur, utilisé pour automatiser des processus
comme la commande des machines sur une ligne de montage dans une usine. Là où les
systèmes automatisés plus anciens emploieraient des centaines ou des milliers de
relais et de cames, un simple automate suffit.
L'API est structuré autour d'une unité de calcul ou processeur (en anglais Central
Processing Unit, CPU), d'une alimentation (depuis des tensions AC ou DC) et, de
modules suivant les besoins de l'application, tel que:
Des cartes d'entrées - sorties (en anglais Input - Output, I/O) numériques (Tout ou
rien) ou analogiques
Cartes d'entrées pour brancher des capteurs, boutons poussoirs, ...
Cartes de sorties pour brancher des actionneurs, voyants, vannes, ...
Des modules de dialogue (homme-machine) tel que le pupitre (tactile ou avec clavier)
dialoguant avec l'automate.
Les programmes des API sont traités selon un cycle précis : acquisition de toutes les
entrées (recopie dans une mémoire image) - traitement des données (calculs) - mise à
jour des sorties. Le temps d'un cycle d'API varie selon la taille du programme, la
complexité des calculs et de la puissance de l'API. Le temps de cycle est
généralement de l'ordre d'une vingtaine de millièmes de seconde.
L'absence d'interface Homme-machine (IHM, HMI en anglais) pour visualiser l'action
et le fonctionnement du programme sur la partie opératrice fait que les automates
sont très souvent reliés à un pupitre opérateur, une interface graphique (écran
d'affichage ou écran tactile) ou un PC.
La structure interne d’un API :
Horloge
Interne
Microprocesseur
Interface de
Sortie
Pré-actionneurs
Interface
d'entrée
Interface
Homme/Machine
Etat du système et de
l'environnement
Bus
API
Mémoire
TPE les stores d'extérieurs
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L'automate programmable reçoit les informations relatives à l'état du système et
puis commande les pré-actionneurs suivant le programme inscrit dans sa mémoire.
Un API se compose donc de trois grandes parties :
• Le processeur ;
• La zone mémoire ;
• Les interfaces Entrées/Sorties
1)- Le microprocesseur :
Le microprocesseur réalise toutes les fonctions logiques ET, OU, les fonctions de
temporisation, de
comptage, de calcul... à partir d'un programme contenu dans sa mémoire.
Il est connecté aux autres éléments (mémoire et interface E/S) par des liaisons
parallèles appelées ' BUS '
qui véhiculent les informations sous forme binaire..
2)- La zone mémoire :
La Zone mémoire va permettre :
• De recevoir les informations issues des capteurs d’entrées
• De recevoir les informations générées par le processeur et destinées à la commande
des sorties (valeur des compteurs, des temporisations, …)
• De recevoir et conserver le programme du processus
3) Les interfaces d'entrées/sorties :
Les entrées reçoivent des informations en provenance des éléments de détection
(capteurs) et du pupitre opérateur (BP).
Les sorties transmettent des informations aux pré-actionneurs (relais,
électrovannes …) et aux éléments de signalisation (voyants) du pupitre.
TPE les stores d'extérieurs
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4)- Fonctionnement automate programmable industriel :
LECTURE DE L'ETAT
DES ENTREES
EXECUTION DU
PROGRAMME
AFFECTATION DES
SORTIES
AVANTAGES
• Simplification du câblage.
• Modifications du programme faciles à effectuer par rapport à une logique
câblée.
• Énormes possibilités d'exploitation.
• Fiabilité professionnelle.
TPE les stores d'extérieurs
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INCONVENIENTS
• En cas d'arrêt du système, la panne sera très dure à réparer…
• Son prix qui ne le met pas à la portée de toutes les bourses.
b) Les mêmes fonctions sont réalisées avec nos propres circuits
Celui-ci est le circuit qui gère le fonctionnement automatique du store :
Il utilise simplement des transistors qui fonctionnent en mode non linéaire : ils sont
utilisés comme des interrupteurs commandés de manière électrique.
Dans les transistors NPN, si le courant de la base est positif, le transistor est comme
un interrupteur fermé. Au contraire, si le courant dans la base du transistor est nul,
le transistor est comme un interrupteur ouvert. Dans les transistors PNP, c'est
l'inverse.
NPN
TPE les stores d'extérieurs
PNP
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Ce circuit est fait à partir des équations logiques des fonctions du store (cf partie
I ).
V
L+
B
D
V
Alimentation
Automatisme
+5 Volts
V
H
L-
M
Celui-ci est le circuit qui gère le fonctionnement manuel du store : Comme le
précédent, il utilise des transistors en mode non linéaire.
M+
H
M
Alimentation partie
manuelle
+5 Volts
V
D+
B
D
TPE les stores d'extérieurs
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c) La différence ? Quelle solution choisir ?
La différence se fait surtout au niveau du prix, nos circuits ne fonctionnent qu'avec
des composant simples et bon marché comparés à l'API qui lui est très coûteux. Une
question se pose dans notre système: un API est-il vraiment nécessaire? La réponse
est non, ici l'API n'est pas vraiment nécessaire mais il pourrait bien sûr fonctionner.
Son fonctionnement ne serait pas optimal car notre système n'est pas séquentiel.
L'avantage d'utiliser un API pourrait être une amélioration future. En effet un API
est programmable à volonté il pourrait donc subir des améliorations (voir IV).
TPE les stores d'extérieurs
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Partie 4 : Améliorations possibles dans le futur
Un avenir pour notre store d'extérieur automatique? Des améliorations possibles? Au
XXI°s, où chaque jour des produits nouveaux inondent le marché mondial; on peut
penser que notre store peut être plus performant. Pour améliorer celui-ci, il faudrait
pouvoir rajouter des capteurs ou des effecteurs,et donc pouvoir modifier les circuits
internes du store. C'est dans ce cas-là que l'API pourrait être d'un grande utilité.
Les améliorations possibles ne sont limités que par la technologie d'aujourd'hui et
notre imagination.
Pour notre part, nous avons pensé à un store qui serait branché directement sur
internet, qui pourrait récupérer des données météorologiques et en fonction prévoir
la montée et descente du store. Ce qui ferait de notre store une mini « station
météo ». On pourrait aussi ajouter des spots sous le store avec un capteur de
luminosité pour les soirées d'été. On pourrait également le compléter avec une
horloge interne, ainsi l'utilisateur pourrait choisir l'heure de descente et de montée
du store ou encore avec un logiciel qui permettrait de commander le store à distance.
Dans le cadre du développement durable, on pourrait imaginer un store autonome sur
le plan énergétique qui utiliserait une alimentation électrique à partir de panneaux
photovoltaïques.
TPE les stores d'extérieurs
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Bibliographie
Les bannes cassette et coffre documentation papier disponible sur demande à la
société KOMILFO (Z.A. de la Madeleine 2, Avenue de la Madeleine 33174 Gradignan)
moteurs et automatisme pour Stores extérieurs ils se plient à vos désirs et aux aléas
de la météo [documentation papier éditée par Somfy ( 1 place du Crêtet BP 138 –
74307 Cluses Cedex) ] disponible sur demande à la société KOMILFO (Z.A. de la
Madeleine 2, Avenue de la Madeleine 33174 Gradignan)
Présentation papier de Experts Storistes agréés Soliso [ édité par STORE
GIRONDE ] disponible sur demande à la société KOMILFO (Z.A. de la Madeleine 2,
Avenue de la Madeleine 33174 Gradignan)
Documentation technique de la société Somfy sur les caractéristiques des capteurs
vent et soleil.
Documentation en ligne store banne coffre B.I.E.R. Store de Tournus consultée le 13
janvier 2009
Documentation en ligne de Jean Lhivert à propos des photopile disponible à l'adresse
http://www.lyc-emperi.ac-aixmarseille.fr/asp/sti/ressources_communes/systemes/panneau_solaire/photopile.pdf
et consultée le 9/12/2008
Les Capteurs Documentation du génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal
réalisée par le Professeur E.K. Boukas à l'automne 2003
Guide du dessinateur industriel édition 2004 réalisé par André Chevalier éditeur :
hachette technique; collection : Guides Industriels
TPE les stores d'extérieurs
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Duprat Vincent
Girard Thibault
1ère SN
Quelles sont les solutions techniques et
technologiques qui permettent d'automatiser un
store d'extérieur ?
e
Au XXI remonter un store avec une manivelle est dépassé, maintenant avec les
progrès de la domotique, il est très fréquent de voir des stores extérieurs
automatiques. Notre problématique est donc : Quelles sont les solutions
techniques et technologiques qui permettent d'automatiser un store
d'extérieur ?
Au début j'ai beaucoup cherché le fonctionnement des différents types de
capteurs qui existent. Par exemple pour le soleil nous avions la possibilité d'utiliser
une photorésistance ou une photopile. J'ai opté pour la photorésistance plus souvent
appelée LDR (Light Dependent Resistor) qui est plus simple à gérer dans les circuits
(il suffit de l'alimenter et de définir une résistance pour avoir une tension de sortie
qui se calcule directement en fonction de la luminosité).
En plus de nos recherches, je suis allé voir plusieurs stores automatiques
installés dans ma famille. Ainsi les quelques questions que j'avais sur le
fonctionnement d'un store ont pu être résolues par l'observation du système en
action.
De plus j'ai noté quelques données techniques comme les dimensions (L x l) du
store (3,50x2,50 m), le temps (Δt) de remontée (12 sec), le poids (P) qui était indiqué
par le fabriquant (22 kg) et l'angle (α) entre le store et l'horizontale (30°). Ainsi j'ai
pu faire tous les calculs de choix du moteur avec ces chiffres tandis que Thibault se
chargeait de la modélisation du système sur ordinateur. Par exemple j'ai calculé la
force de traction nécessaire (T) : T = P/2 x sin (α) , la puissance utile du moteur
P
= ω (en rad /sec) x R (25 mm) x T , et le couple du moteur Couple = P
utile
moteur
/ ω.
Après cela il m'a encore fallu décider des systèmes de commande de ce store pour
que cela prenne en compte le vent, le soleil et les instructions de l'utilisateur. J'ai
choisi de diviser la partie électrique en plusieurs éléments : un boîtier contenant le
circuit d'alimentation (pour le moteur et les capteurs), un boîtier de commande
actionné par l'utilisateur et un autre qui déclenche le moteur en fonction des
informations reçues.
Lors de ce TPE mon problème majeur a été la recherche du fonctionnement
précis de la partie qui gère l'automatisme (les circuits nécessaires pour réagir en
fonction des informations reçues sur le vent, le soleil et ce que veut l'utilisateur).
Un autre problème a été le fait que en réalité ce sujet demande plus de
connaissances que celles que nous avons déjà acquises. Ainsi avec l'aide de notre
TPE les stores d'extérieurs
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professeur de mécanique, je me suis donc débrouillé à simplifier le système pour le
mettre à notre niveau (par exemple nous avons considéré que la totalité du poids du
store s'applique à l'extrémité pour simplifier les calculs de puissance du moteur etc).
En conclusion de ce travail de TPE, je dirais que dans l'état actuel du projet, je
serais en mesure de fabriquer une maquette opérationnelle car tout a été prévu (les
capteurs de début et de fin de course, les automatismes etc). Par contre, la maquette
serait surdimensionnée car le moteur que nous avons choisi n'est pas optimal. En effet
pour simplifier les calculs j'ai considéré que le poids du store était uniquement
appliqué à son extrémité et j'ai pris un rendement moteur de 0,7 pour contrer les
frottements. Le moteur que j'ai choisi est plus gros que celui nécessaire dans la
réalité donc la maquette fonctionnerai mais consommerais plus d'énergie que
nécessaire. Pour construire une maquette il faudrait aussi trouver les bons capteurs,
les étalonner et calculer les résistances nécessaires pour les intégrer dans le
système. Donc avec l'étude du système que nous avons mené, je pense être en mesure
d'expliquer complètement le fonctionnement du store.
TPE les stores d'extérieurs
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Girard Thibault
Duprat Vincent
1ère SN
Quelles sont les solutions techniques et
technologiques qui permettent
d'automatiser un store d'extérieur ?
Au XXI°s, le temps des stores extérieurs descendus ou remontés avec une
manivelle est révolu. Maintenant avec les progrès technologiques en domotique, il est
habituel de voir des stores extérieurs automatiques. Notre problématique est donc la
suivante : Quelles sont les solutions techniques et technologiques qui
permettent d'automatiser un store d'extérieur ?
Pour automatiser un store extérieur à l’aide des techniques et de la technologie
contemporaines, il a fallu motoriser la montée et la descente du store mais aussi
implanter des capteurs qui, en fonction du vent et du soleil ordonnent au store son
mouvement. De plus, il a fallu grâce à un boitier de commande transmettre les
données Homme-machine. Pour le soleil, il y avait deux possibilités, soit une
photorésistance, soit une photopile. J'ai opté pour la photorésistance plus souvent
appelée LDR (Light Dependent Resistor). Pour le capteur du vent, j'ai choisi une
dynamo tachymétrique dont la tension de sortie est U sortie = (K x V) / rayon,
avec V la vitesse du vent. De plus, j’ai utilisé un pont de transistor pour le moteur. J’ai
décidé d’utiliser mes propres circuits plutôt qu’un API (automate programmable
industriel) car mon système n’est pas séquentiel et ce ne serait pas un fonctionnement
optimal pour l’API.
En plus de mes recherches, j'ai pu observer le fonctionnement réel d'un store
qui était dans notre salle de SI. Cela m'a permis de comprendre certains problèmes
comme l'angle du store ou son temps de remontée... A partir d'un schéma
professionnel et des données comme la longueur et la largeur du store (3.5x2.5m), j'ai
pu créer une modélisation 3D SolidWorks (le logiciel) qui nous a permis d'analyser les
liaisons et l'utilité de chaque pièce.
Après cela, il a encore fallu décider comment le store serait commandé en
fonction des capteurs et de l'utilisateur. J'ai choisi de diviser la partie électrique en
trois parties indépendantes : un boîtier contenant le circuit d'alimentation (pour le
moteur et les capteurs), un boîtier de commande actionné par l'utilisateur et un autre
qui déclenche le moteur en fonction des informations reçues.
Lors de ce TPE, un problème majeur a été la recherche du fonctionnement des
capteurs notamment les circuits électriques qui permettent au store de fonctionner
en tenant compte des informations reçues par les capteurs.
Un autre problème majeur a été la recherche des connaissances. Au début je pensais
tout trouver sur internet mais la réalité était que j’avais déjà les compétences de
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bases, il me fallait juste y ajouter quelques informations supplémentaires données par
les professeurs et surtout beaucoup de travail personnel d’analyse et de synthèse.
En conclusion de ce Travail Personnel Encadré, je peux dire que je suis capable
d'expliquer entièrement ou presque le fonctionnement de tout le store extérieur,
autant la partie électrique que mécanique. Bien qu'à partir de mon travail une
production à grande échelle ne serait pas rentable, mon store fonctionnerait
parfaitement malgré quelques imperfections dues à mon manque de connaissances. On
pourrait construire une maquette mais il faudrait tout d'abord trouver les bons
capteurs, les étalonner et calculer les résistances nécessaires pour les intégrer dans
le système. Mon travail sur l'étude du système permet donc d'expliquer
complètement le fonctionnement du store mais également de montrer les progrès
technologiques du XXI° au service du consommateur.
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