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Chaine d'énergie et chaine d'information

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Objectif

Savoir décrire les échanges d’information et d’énergie à l’intérieur d’un système technique, ainsi que les principales fonctions techniques des chaines d’information et d’énergie.

Points clés

La chaine d’information regroupe les composants permettant d’acquérir, de traiter et de communiquer de l’information.
La chaine d’énergie regroupe les composants permettant d’alimenter, de distribuer, de convertir et de transmettre l’énergie dans le système.
Ces chaines d’énergie et d’information communiquent entre elles :
- la chaine d’information acquiert des informations issues de la chaine d’énergie grâce à des capteurs ;
- la chaine d’énergie reçoit des ordres issus de la chaine d’information.

Pour bien comprendre

Connaitre les différentes formes des signaux
Connaitre les différentes formes de l’énergie

1. Les systèmes « intelligents »

a. Les différents systèmes techniques

Un système technique peut être classé en plusieurs types.

Le système manuel : le ou les utilisateurs contrôlent en permanence la succession des opérations et fournissent l’énergie.
Exemple : tondeuse manuelle
Le système mécanisé : il est alimenté par une source d’énergie extérieure mais le ou les utilisateurs sont obligatoires pour son bon fonctionnement.
Exemple : tondeuse autoportée
Le système intelligent (ou automatisé) : il est alimenté par une source d’énergie extérieure, et un « cerveau numérique » contrôle la totalité des opérations. Le système peut éventuellement dialoguer avec un utilisateur (en option).
Exemple : robot tondeuse

Il existe une multitude de systèmes intelligents qui vont du plus simple (comme l’agrafeuse électrique) au plus complexe (comme un avion de ligne moderne ou une chaine de fabrication entièrement robotisée).

Tous ces systèmes sont conçus pour agir sur une matière d’œuvre, ils ont besoin d’énergie et possèdent la même structure.

Ils peuvent être décomposés en une chaine d’énergie et une chaine d’information.

b. Les différentes informations

Les informations qui transitent dans un système moderne sont généralement des signaux électriques basse tension, qui peuvent se retrouver sous différentes formes.

On peut décomposer les échanges d’informations en 2 types :

Les informations internes au système : comptes-rendus et ordres ;
Les informations externes au système : consignes opérateurs et messages.

Définitions

Compte-rendu : information interne qui permet de connaitre en permanence l’état du système ou de la matière d’œuvre.
Ordre : information interne qui permet de commander les différentes opérations.
Consignes : informations en entrée pour le pilotage du système, qui vient d’un opérateur, d’un utilisateur ou d’un autre système.
Messages : informations en sortie pour informer les utilisateurs, ou pour communiquer avec un autre système.

2. La chaine d’informations

« L’intelligence » des systèmes modernes repose sur un « cerveau » électronique, qui est constitué d’un microprocesseur (comme pour les ordinateurs). Il s’agit en réalité d’un microcontrôleur qui est capable, contrairement à un microprocesseur seul, de traiter les différents types de signaux électriques.

Exemple : µC ARM embarqué dans un Gyro Skate

Pour ce faire, un microcontrôleur est équipé de « modules » d’entrées/sorties qui lui permettent de pouvoir analyser des signaux relativement complexes et de créer des consignes particulières pour pouvoir doser précisément les ordres à envoyer à la chaine d’énergie.

On peut décomposer la chaine d’information en 3 fonctions techniques :

la fonction ACQUÉRIR qui est prévue pour recevoir 2 types d’informations : les consignes (externes) et les comptes-rendus (internes) ;
la fonction TRAITER : le cerveau du système ;
la fonction RESTITUER : qui permet de communiquer vers l’extérieur du système pour un utilisateur ou d’autres systèmes.

Décomposition fonctionnelle de la chaine d'information

a. La fonction ACQUÉRIR

On parle de transformer des grandeurs physiques en signaux électriques.

Que ce soit pour un opérateur, pour des organes mécaniques internes à la chaine d’énergie ou pour la matière d'œuvre, il s’agit en effet de pouvoir acquérir une multitude d’informations différentes :

appuis, touchés, gestes, paroles, « pensées », etc.
dimensions, positions, mouvements, déformations, etc.
températures, pressions, débits, tensions, intensités, champs magnétiques, etc.

Fonction ACQUÉRIR : transformer les informations physiques (consignes ou comptes-rendus) en signaux électriques basse tension interprétables par le microcontrôleur.

b. La fonction TRAITER

C’est le microcontrôleur qui se charge de traiter les signaux numériques correspondants aux consignes ou aux comptes-rendus, afin de piloter la chaine d’énergie en lui envoyant des ordres d'exécution ou en communiquant des messages à destination des utilisateurs ou d’autres systèmes.

Pour ce faire, les systèmes « intelligents » sont programmés par des instructions plus ou moins complexes qui nécessitent d’être définies par des algorithmes puis traduites en langage « machine » interprétable par le microcontrôleur.

Fonction TRAITER : gérer l’ensemble des informations pour ordonner à la chaine d’énergie l'exécution des différentes actions.

c. La fonction RESTITUER

On retrouve ici aussi 2 types de composants :

les cartes de communication numériques câblées ou sans fil, qui seront les mêmes que pour la fonction ACQUÉRIR et qui sont parfois même « intégrés » aux microcontrôleurs ;
les composants des interfaces homme/machine qui permettent de communiquer avec un utilisateur sous forme visuelle, sonore ou physique comme les leds, les afficheurs, les écrans, les buzzers, les hauts parleurs, les vibreurs, etc.

Fonction RESTITUER : communiquer vers l’utilisateur ou d’autres systèmes.

3. La chaine d’énergie

Souvent appelée « partie opérative », la chaine d’énergie a la charge de la réalisation physique de ce pourquoi le système a été conçu : agir sur la matière d’œuvre.

La forme d’énergie nécessaire à l’action peut être de différentes formes (mécanique, aéraulique, thermique, thermodynamique, etc.), alors que l’énergie d’alimentation sera, la plupart du temps, électrique.

Il convient donc de gérer cette énergie disponible mais seulement quand le microcontrôleur l’a décidé.
La bonne exécution des opérations nécessite différents composants qui ont chacun un rôle bien spécifique que l’on peut décomposer en fonctions techniques.

Décomposition fonctionnelle de la chaine d'énergie

a. La fonction ALIMENTER ET STOCKER

La grande majorité des systèmes « intelligents » utilise aujourd'hui l’énergie électrique :

soit directement fournie par l’opérateur d’électricité : 230 V monophasé ou 400 V triphasé (courants alternatifs à 50 Hz) ;
soit embarquée dans des batteries, des accus ou des cellules solaires qui transforment une énergie disponible sous forme chimique en énergie électrique.

Remarque
Il existe aussi d’autres formes d’énergies comme l’air comprimé (pneumatique) ou l’huile sous pression (hydraulique) qui nécessitent d’utiliser des compresseurs ou des pompes.

Fonction ALIMENTER : permet de fournir l’énergie disponible en entrée sous forme primaire (chimique, électrique, thermique, éolien, etc.) en une, ou plusieurs formes, utilisables directement par le système (électrique, pneumatique ou hydraulique).

b. La fonction DISTRIBUER OU MODULER

Dans la grande majorité des systèmes il s’agit de « laisser passer » l’énergie uniquement lorsque le microcontrôleur en donne l’ordre.
On utilise des relais ou des transistors comme interface de puissance, le microcontrôleur étant incapable de fournir des tensions et des courants élevés.

Fonction DISTRIBUER : permet de laisser passer l’énergie lorsque le microcontrôleur en donne l’ordre.

c. La fonction CONVERTIR

La fonction CONVERTIR est nécessaire pour modifier la forme d’énergie distribuée en une forme d’énergie capable d’agir sur la matière d’œuvre le plus souvent mécanique, aéraulique et/ou thermique.
Pour cette fonction, on utilise des actionneurs : moteurs, vérins, résistances de chauffe, etc.

Fonction CONVERTIR : permet de modifier la forme de l’énergie pour qu’elle soit exploitable pour agir sur la matière d’œuvre.

d. La fonction TRANSMETTRE

Cette fonction facultative, permet de modifier les caractéristiques de l’énergie afin de l’optimiser pour les tâches à accomplir sur la matière d’œuvre.
On utilise pour ce faire des accouplements, des engrenages ou des systèmes de transformation de mouvement.

Fonction TRANSMETTRE : permet d’adapter ou transformer l’énergie convertie.

e. La fonction AGIR

Les composants qui agissent directement sur la matière d’œuvre se nomment les effecteurs ; ils servent à saisir, déplacer, fixer, assembler, modifier, trier, chauffer, etc.
Il existe une multitude de formes, de matières et de technologies d’effecteurs qui doivent s’adapter à chaque matière d’œuvre, comme des ventouses, des poussoirs, des doigts, des tapis roulants, des enrouleurs, des plateaux, des roues, des brosses, des résistances, etc.

Fonction AGIR : permet d’agir directement sur la matière d’œuvre afin de lui apporter la valeur ajoutée.

4. La vue synoptique complète

L’analyse des systèmes intelligents pour l’apprentissage des sciences de l’ingénieur utilise souvent cette représentation graphique de structure des systèmes, qu’il convient de connaitre.

Il n’y a pas de réelle norme de représentation et il n’est pas rare de retrouver des vues synoptiques partielles de systèmes étudiés.

Exemple : décomposition de la fonction STOCKER d’un métro électrique (extrait du sujet de SSI de 2018)

Il conviendra de se familiariser avec les représentations et de connaitre l’architecture fonctionnelle dans son ensemble, ainsi que les fonctions techniques qui lui sont associées.