Bac Controle-et-regulation 2009 Stl Physique

gCEPLMEl

BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2009 Epreuve

:

CONTRÔLE ET RÉGULATION

Partie Théorique Série SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS lttOUStRlels Durée de l'épreuve : 3

heures

coefficient

:

5

L'usage de Ia calculatrice est autorisé'

Le sujet comporte 10 pages. L'épreuve esf constifuée de deux parties indépendantes' - Un sujet de Mesure et Régulation sur 13

(pages 7 et 8)

points, n"3 et 4

pages5et6

Un sujet d'automatisme sur 7 - documents-réponses

pages 2 à 4

2

- documents-réponses n'1 et

-

points,

(pages

I

et 10)

Les documenfs'réponses sont à ioindre à Ia copie LES DEUX PARTIES SONT INDÉPENDANTES ET PEUVENT ÊTRE TRAITÉES DANS UN ORDRE QUELCONQUE.

1/10

9CEPLMEl

Présentation du suiet

Sur /es /rgtnes de production de produits pharmaceutiques, Ie mélange de deux produits fait partie des opérations couramment réalisées. Le suiet se propose de 'traiter, aussi bien dans la première partie ( mesure et régulation > que dans la seconde partie < automatisme ,, de deux sysfèmes mettant en æuvre le mélange de deux constituants A et B. Dans la première paftie, le fonctionnement esf pns en charge en continu Dans la seconde partie, c'est par 'un des boucles de régulation fonctionnant automate qui contrôle les opérations sur un autre procédé afin d'assurer le bon déroulement du cycle de fabrication du produit fini.

Première partie: mesure et régulation Le Plan de circulation des Fluides présenté sur le document-réponse n'1 page 7 représente une installation dêstinée à âlimenter une unité annexe (non représentée) en un mélange dont Ia composition et la tempérâture doivenl être maintenues à des valeurs correctes' Deux produits A et B sont amenés dans un mélangeur, une proportion constante étant assurée entre les débits des deux produits. Le niveau dans le mélangeur est maintenu constant.

L'homogénéisation du mélange est assurée par un agitateur entraîné en rotation par le moteur

[,4.

AlaSortiedumé|angeur,|emélangeA+Btraverseunéchangeurafind,êtreportéàune

température constante de 35"C puis est dirigé vers I'unité annexe pour utilisalion. La vanne XV3 règle le débit du mélange vers l'unité annexe selon la demande. Le reflux est dirigé vers un bac de stockage puis vers le mélangeur gràce à une pompe

Partie 1 : mesure et régulation de niveau dans le mélangeur La mesure du niveau est faite par un transmetteur à sortie standard 4...20mA dont la technologie est à déterminer. La boucle de régulation maintient le niveau constant par action sur le débit de produit A. 1

-

La densité du liquide dans le mélângeur n'est pas toujours rigoureusement constante et est susceptible de varier de manière significative à chaque instant

Proposeru!principedemesuredeniveaupouvantdonnersatisTaction'A|,inverse,proposeru! priniipe de mesure à éviter. Dans les deux cas, justifier vos propositions 2

-

ldentifier les grandeurs réglée, réglante et perturbatrices dans cette boucle'

3

-

Etablir sur le document-réponse n'1 page 7 le schéma T.l. (tuyauterie et instrumentation) de la boucle de régulation de niveau. Prévoir I'enregistrement du niveau' 2t10

9CEPLMEl On souhaite implanter une alarme de niveau bas à la cote h,= 0,35m el une alarme de niveau haut à la cote h2= 2,15m sur le mélangeur.

4.1.

Compléter le document-réponse n"1 en représentant selon la norme les deux alarmes aux endroits prévus à cet effet.

4.2.

L'éiendue de mesure du niveau h est 0 ..2,50m. Exprimer les cotes hlet h2 en yo de l'étendue de mesure Donner les détails du calcul.

on envisage le fonctionnement de Ia régulation de niveau avec le régulateur configuré en action proportionÀelle pure. Dans ces conditions, la boucle de régulation peut être repréSentée par Ie schéma fonctionnel suivant

:

on rappelle que tes grandeurs fonctionnelles mises en jeu dans ce schéma correspondent aux

variations des différents signaux (m = AM, w = ÀW,

etc

)

5.1.

lvlontrerque:€ =

5.2.

La réponse du procédé en boucle ouverte à un échelon de commande Y de + 10% est donnée par le graphique suivant:

a+y

30%

5.2.1. Déterminer le gain statique du procédé 5.2.2. Déduire de l'enregislrement si

Ia vanne LV1 est OMA ou

5.3. on envisage de tester Ie fonctionnement

FMA Expliquer'

de la boucle en réponse à un échelon de

consigne d'amplitudew= + 10%.

5.3.1. Le régulateur doit-il être en automatique ou en manuel pourfaire cet essai ? 5.3.2. A pârtir des résultats obtenus en 5.1 et 5.2, quelle valeur minimale de Ko faufil régler Dour que l'écart statique s ne soit pas supétieut à 2o/" ?

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gCEPLMEI Partie

2:

mesure et régulation de température

La température du mélange en sortie de l'échangeur est mesurée par une sonde PT100 de type 3 fils couplée à un transmetteur (repéré TT2) à sortie standard 4.. 20mA linéaire.

- Que signifie PT100 ? 2 - Expliquer le principe de fonctionnement d'une sonde PT100 3- Donner l'avantage d'un montage 3 fils par rapport à un monlage 2 fils. 4 - Le lransmetteurTT2 est de type 2 fits compatible avec une alimentation 24vcc et I'entrée mesure 1

du régutateur est configurée au standard 4. .2om{ Réaliser, sur votre copie, le schéma de

câblage de la boucle de mesure de température comportant la sonde PT100 de type 3 fils, le transÀeteur et le régulateur de température. Vous ajouterez les éléments nécessaires au bon fonctionnement et préciserez clairement les polarités.

-

5

On isole le régulateur de la boucle de régulation pour tester son fonctionnement. La structure de celui-ci est du tYPe Pl série.

5.1. 5.2.

Ecrire l'équaiion de transfert du régulateur'

Le document-réponse n"2 page 8 montre l'enregislrement de la réponse du régulateur à un échelon sur la consigne.

5.2.1. Quel est le sens d'action du régulateur ? 5.2.2. Déterminer lâ valeur de Ia bande proportionnelle xp et du temps d'action intégrale T. Compléter le document-réponse n'2 avec toutes les annqtations nécessaires'

Partie 3 : régulation de proportion entre tes produits A et B Tous les éléments constitutifs de cette régulation figurent sur le document réponse n'1 page 7' '1

-

ldentifier débit pilote et débit asservi.

2-DeS3Signaux(1),(2),(3)misenjeudanslefonctionnementdeF|c4,repérermesure'cons|gne et commande. 3

-

On considère que le débit de produit A est établi à 40% et que le coefficient programmé dans le module FY41 vaut K= 1,50. Calculer la valeur (en %) du signal de mesure Tourni pat Ff42 en régime stabilisé'

4/10

9CEPLMEl Deuxième Partie : automatisme Le procédé est un âutoclave dans lequel un produit est élaboré à partir de deux constituants A et B. La éaction chimique qui a lieu doit être contrôlée en pression et en température.

Description de la partie opérative

Mise à vidê

Rêtour

Stockage

Cahier des charges L'opérateur démarre Ie cycle par appui sur le bouton dcy. La cuve doit être vide, la pression dans I'autoclave doit être égate à la pression atmosphérique (1013 hPa) et la température doit être inférieure à 50'C, la séquence suivante peut alors être réalisée : Remplissage de produit A jusqu'au niveau nr puis de produit B jusqu'au niveau n2 Mise en roùte de la pompe à vide po1 pour abaisser la pression en dessous de 300 hPa Ouverture de I'alimentation en vapeur de la double enveloppe Mataxage pendant 30 minutes dès que la température de 120'C est atteinte '10 minutes Fermetùre de I'alimentation en vapeur et maintien du malaxage pendant Arrêt du malaxage, Ie produit repose jusqu'à ce que la température descende à 50"C Mise à l'atmosphère de la cuve Vidânge de I'autoclave dès que la pression est à 1013 hPa u' Fin du cycle après vidânge complète

r' r' r' r' "r' / r'

NB

:

à toul moment lors de ce cycle,

- un voyant V1 est allumé dès que la cuve est sous vide (P = 300 hPa) - un voyant V2 est allumé dès que Ia température devient supérieure à 50"C 5/10

gCEPLMEl

Dans ce qui suit, on notera P et T la pression et la température dans lâ cuve. Deux seuils de détection sont réglés sur les capteurs de pression PT et de température TT

' pc1 =1si P>1013hPa et . Tl=1si T> 120"C et Détections de niveau no

n1,

:

pc2=1si P>300 hPa 12= 1si T>50"C

n2; contacts NO ( contacts ouverts au repos)

Récapitulatif ocv no

nr nz PCj Pc2

T1

T2 EV1 ...EV6 P01

P02 M

v1, v2

PUPITRE OPERATEUR Bouton poussoir départ cycle CAPTEURS Détection cuve vide Détection niveau de remp ssaqe produit A Détection niveau de rempl ssaqe produit B Détection press on cuve > 1013 hPa Détection press on cuve > 300 hPa Détection temDérature cuve > 120"C Détection temoérature cuve > 50'C ACTIONNEURS Electrovannes d'étanchéité (fermées au repos) Pompe de mise à vide Pompe de vidanqe l\y'oteur d'entraînement du malaxeur Vovants de siqnalisation

Questions 1

- A partir du GRAFCET de commande (donné

2

-

Etablir sur Ie document-réponse n"3 l'équation de fonctionnement des sorties

3

-

Compléter le chronogramme donné sur le document-réponse n'4 page 10.

sur le document-réponse n"3 page 9), établir l'équation logique des conditions d'activation c1 et c2 et de la réceptivité nolée 11.

4-

Vl

et V2.

[,4odification du cahier des charoes

o

Mise sous vide : si au bout de 15 minutes, Ia pression de 300 hPa n'est pas atteinte, la mise sous vide est stoppée et un voyant d'alarme ALI est allumé. Après appui sur un bouton d'acquiftement acq, le GRAFCET est remis à l'étape initiale.

o Chauffage: si au bout de 15 minutes, la température de 120"C n'est pas atteinte,

le chauffage est stoppé et un voyant d'alarme AL2 s'allume. Après appui sur Ie bouton acq, le GRAFCET est remis à l'étape initiale.

Compléter

le GRAFCET de commande sur le

modiflcations.

6/to

document-réponse n"3 afin

de réaliser

les

gCEPLMEI

Document réponse nol

ECHANGEUR

Les yannes

LI/I, FV4 et XI/3

sont à actionneur pneumatique et positiotjneut électroprleumatique. La vanne W2 est à actionneur pneumatique et positionneu/ pneumatique. '7/10

gCEPLMEl

Document réponse n"2

o/

100

90 80 '70

60 50

40 30

20

w(t)

10

M(t)

0

t(s)

8/10

gCEPLMEl

Document rëponse n"3

Réponse à la question 1

:

c1 =

c2= 11 =

Réponse à la question 2

:

Vl= V2= GRAFCET de commande

Partie à compléter à la question 4

9/to

gCEPLMEI

Document réponse n"4

Suesfion 3 Chronogramme à compléter

:

t (mn)

10/10