Généralité sur les système automatisé (partie 3/4)

## les capteurs ### Introduction Bienvenue dans cette leçon sur les capteurs ! Dans le monde des systèmes automatisés, les machines ne peuvent pas prendre de décisions ou agir sans connaître leur environnement ou l'état de leurs propres composants. C'est là que les capteurs entrent en jeu. Ils sont comme les « yeux » et les « oreilles » d'un système, lui permettant de « ressentir » et de collecter des informations essentielles. Nous allons explorer ce qu'ils sont, comment ils fonctionnent et pourquoi ils sont si importants. ### Concepts Clés #### Qu'est-ce qu'un capteur ? Un capteur est un dispositif qui **transforme une grandeur physique** (comme la température, la pression, la présence d'un objet, la lumière, etc.) **en un signal électrique** utilisable par la partie commande d'un système automatisé. Son rôle principal est d'informer la partie commande de l'état de la partie opérative (la partie qui agit) ou de l'environnement extérieur. * **Exemple :** Un capteur de température détecte si l'eau est chaude ou froide et envoie un signal électrique correspondant à cette information. #### Classification des capteurs Les capteurs peuvent être classés de différentes manières, notamment selon la grandeur physique mesurée ou leur technologie. ##### Selon le type de grandeur physique mesurée Les capteurs sont conçus pour détecter des types spécifiques d'informations : * **Capteurs de position/déplacement :** Détectent la présence, la distance, le mouvement. * Exemples : Capteur de fin de course, capteur de proximité (inductif, capacitif, optique). * **Capteurs de vitesse :** Mesurent la vitesse de rotation ou de déplacement. * Exemples : Tachymètre, codeur incrémental. * **Capteurs de force et de pression :** Mesurent des forces ou des pressions. * Exemples : Capteur de pression, jauge de contrainte. * **Capteurs de température :** Mesurent la chaleur ou le froid. * Exemples : Thermistance (CTN, CTP), thermocouple. * **Capteurs de lumière :** Détectent la présence ou l'intensité lumineuse. * Exemples : Photodiode, photorésistance. * **Capteurs de niveau :** Détectent le niveau d'un liquide ou d'un solide. * Exemples : Capteur de niveau à flotteur. ##### Selon la technologie (type de signal de sortie) ###### Capteurs Tout Ou Rien (TOR) * **Définition :** Ces capteurs ne fournissent que **deux états possibles** en sortie : « présent/absent », « oui/non », « 0/1 ». Ils indiquent simplement si une condition est remplie ou non. * **Exemples :** * Un interrupteur de fin de course : Il est soit actionné (présent), soit relâché (absent). * Un capteur de proximité inductif : Il détecte la présence d'un objet métallique (présent) ou non (absent). * Un bouton poussoir : Appuyé ou non. ###### Capteurs analogiques * **Définition :** Ces capteurs fournissent un **signal de sortie continu** qui est proportionnel à la grandeur physique mesurée. Plus la grandeur physique change, plus le signal de sortie (tension, courant) change de manière progressive. * **Exemples :** * Une sonde de température (CTN) : Sa résistance varie progressivement en fonction de la température. * Un potentiomètre : Sa résistance varie en fonction de la position de son curseur. * Un capteur de pression : Il fournit une tension qui augmente avec la pression appliquée. #### Caractéristiques importantes d'un capteur Pour choisir le bon capteur, il faut connaître ses caractéristiques : * **Portée (ou étendue de mesure) :** C'est l'intervalle des valeurs que le capteur peut mesurer (par exemple, un capteur de température de \( -20 ^\circ C \) à \( 100 ^\circ C \)). * **Précision :** C'est la capacité du capteur à donner une mesure proche de la valeur réelle. * **Sensibilité :** C'est le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation de la grandeur mesurée. Une grande sensibilité signifie qu'une petite variation de la grandeur physique provoque un grand changement dans le signal de sortie. * **Temps de réponse :** C'est le temps nécessaire au capteur pour réagir à un changement de la grandeur mesurée et fournir un signal de sortie stable. ### Vocabulaire * **Capteur :** Dispositif transformant une grandeur physique en signal électrique. * **Grandeurs physiques :** Propriétés mesurables comme la température, la pression, la position, etc. * **Signal électrique :** Courant ou tension utilisé pour transmettre l'information du capteur. * **Système automatisé :** Ensemble de composants qui fonctionnent automatiquement pour réaliser une tâche. * **Partie commande :** Le « cerveau » du système automatisé qui prend les décisions. * **Partie opérative :** La partie du système qui exécute les actions (ex: vérin, moteur). * **Tout ou rien (TOR) :** Se dit d'un signal qui ne peut prendre que deux états (0 ou 1). * **Analogique :** Se dit d'un signal qui varie de manière continue. * **Portée :** L'intervalle des valeurs que le capteur peut mesurer. * **Précision :** La capacité à donner une mesure proche de la valeur réelle. * **Sensibilité :** La capacité à réagir à de petites variations de la grandeur mesurée. ### Exemples Pratiques * **Automatisme de porte de garage :** * **Capteur de fin de course :** Détecte quand la porte est complètement ouverte ou fermée pour arrêter le moteur. * **Capteur photoélectrique :** Détecte la présence d'une personne ou d'un obstacle sous la porte pour empêcher sa fermeture et éviter un accident. * **Distributeur de boissons :** * **Capteur de niveau :** Détecte si la tasse est pleine ou s'il n'y a plus de gobelets. * **Capteur de pièce :** Détecte l'insertion d'une pièce de monnaie (validation du paiement). * **Robot industriel :** * **Capteur de proximité inductif :** Détecte la présence d'une pièce métallique à saisir. * **Capteur de force :** Permet au robot de contrôler la pression exercée lors de l'assemblage. ### Exercices 1. Quel est le rôle principal d'un capteur dans un système automatisé ? 2. Donnez deux exemples de grandeurs physiques qu'un capteur peut mesurer. 3. Quelle est la principale différence entre un capteur Tout Ou Rien (TOR) et un capteur analogique ? 4. Associez chaque capteur à la grandeur physique qu'il mesure : * a) Thermistance \(\rightarrow\) ? * b) Capteur de proximité capacitif \(\rightarrow\) ? * c) Jauge de contrainte \(\rightarrow\) ? * d) Codeur rotatif \(\rightarrow\) ? ### Devoirs 1. Faites une recherche sur les capteurs à ultrasons et les capteurs infrarouges. Décrivez brièvement leur principe de fonctionnement et donnez un exemple d'application pour chacun. 2. Imaginez un système automatisé simple pour arroser les plantes d'un jardin. Quels capteurs seraient nécessaires pour que ce système fonctionne de manière autonome ? Décrivez le rôle de chaque capteur. 3. Expliquez avec vos propres mots ce que signifie la « sensibilité » d'un capteur et pourquoi elle est importante pour la qualité de la mesure. ### Résumé Les capteurs sont des composants essentiels des systèmes automatisés. Ils agissent comme les « sens » de la machine, convertissant les grandeurs physiques de l'environnement ou de la partie opérative en signaux électriques compréhensibles par la partie commande. Nous avons vu qu'il existe des capteurs Tout Ou Rien (TOR) qui fournissent des informations binaires (présent/absent) et des capteurs analogiques qui fournissent des signaux continus proportionnels à la grandeur mesurée. Le choix d'un capteur dépend de ses caractéristiques comme sa portée, sa précision et sa sensibilité. Comprendre leur fonctionnement est fondamental pour concevoir et maintenir des systèmes automatisés efficaces et sûrs. ## les pré actionneurs ### Introduction Bienvenue dans cette leçon sur les pré actionneurs ! Dans le monde des systèmes automatisés, il est essentiel de comprendre comment l'information de commande se transforme en action physique. Les pré actionneurs jouent un rôle crucial en faisant le pont entre la partie commande (le "cerveau" du système) et la partie puissance (les "muscles" qui agissent). Nous allons découvrir leur fonction, les différents types existants et leur importance dans le fonctionnement des machines. ### Concepts clés #### Rappel sur les systèmes automatisés Un système automatisé est une machine qui réalise un cycle de travail sans intervention humaine continue. Il est généralement composé de : * **Partie commande :** C'est le "cerveau" du système. Elle reçoit les informations des capteurs, les traite et envoie des ordres (ex: automate programmable). * **Partie opérative :** C'est le "corps" du système. Elle effectue les actions physiques (ex: vérins, moteurs, lampes). #### Le rôle du pré actionneur Les pré actionneurs sont des composants intermédiaires situés entre la partie commande et la partie puissance (ou opérative). Leur rôle principal est de : * **Adapter le signal :** La partie commande produit souvent des signaux électriques de faible puissance (quelques volts, quelques milliampères). Les actionneurs (moteurs, vérins) nécessitent généralement des puissances beaucoup plus élevées (plusieurs ampères, tension plus importante) ou une énergie différente (pneumatique, hydraulique). * **Amplifier la puissance :** Le pré actionneur prend le faible signal de commande et l'utilise pour commuter (ouvrir ou fermer) un circuit de puissance plus important. * **Distribuer l'énergie :** Pour les systèmes pneumatiques ou hydrauliques, ils dirigent le fluide sous pression vers les actionneurs. En résumé, le pré actionneur est l'interface qui permet à un ordre de faible puissance de la partie commande de piloter un actionneur de forte puissance. #### Types de pré actionneurs Il existe plusieurs catégories de pré actionneurs, selon le type d'énergie à commander (électrique, pneumatique, hydraulique). ##### 1. Pré actionneurs électriques Ces composants permettent de commuter des circuits électriques de puissance. * **Les relais électromécaniques :** * **Principe :** Une bobine est traversée par un courant de faible puissance de la partie commande. Ce courant crée un champ magnétique qui attire une armature, provoquant le changement d'état (ouverture ou fermeture) de contacts électriques qui contrôlent un circuit de puissance. * **Avantages :** Isolation galvanique entre la commande et la puissance, robustesse, coût modéré. * **Inconvénients :** Usure mécanique des contacts, temps de commutation relativement lent, bruit. * **Symbole :** La bobine et les contacts associés sont représentés séparément sur les schémas électriques. * **Les contacteurs de puissance :** * **Principe :** Similaires aux relais mais conçus pour commuter des courants et des tensions beaucoup plus importants, typiquement pour les moteurs électriques de forte puissance. * **Avantages :** Capacité à gérer de fortes charges, grande fiabilité pour les applications industrielles. * **Inconvénients :** Encombrement, usure des contacts à long terme pour les commutations fréquentes. * **Les relais statiques (SSR - Solid State Relay) :** * **Principe :** Ils utilisent des composants électroniques (transistors, thyristors, triacs) pour commuter le courant sans pièce mobile. * **Avantages :** Pas d'usure mécanique, vitesse de commutation très élevée, absence de bruit, longue durée de vie, absence de rebond des contacts. * **Inconvénients :** Coût plus élevé, sensibles aux surtensions, souvent moins d'isolation électrique que les relais électromécaniques à puissance égale, échauffement. ##### 2. Pré actionneurs pneumatiques et hydrauliques Ces composants (appelés distributeurs) dirigent le fluide (air comprimé ou huile) vers les actionneurs (vérins, moteurs). * **Les distributeurs :** * **Principe :** Il s'agit de vannes mécaniques ou électriques qui, sous l'effet d'une commande (électrique pour les électrodistributeurs, ou mécanique/pneumatique), ouvrent ou ferment des passages pour le fluide sous pression, le dirigeant ainsi vers une entrée ou une autre de l'actionneur. * **Caractéristiques :** Ils sont définis par leur nombre de voies (entrées/sorties) et leur nombre de positions (nombre d'états stables possibles). * **Exemple :** Un distributeur 3/2 (3 voies, 2 positions) peut être commandé pour envoyer l'air vers une seule sortie ou couper l'alimentation. Un 5/2 (5 voies, 2 positions) est courant pour les vérins double effet. * **Commande :** Ils peuvent être commandés par un signal électrique (électro-aimant), pneumatique, ou mécanique (bouton-poussoir). * **Symboles :** Les symboles normalisés représentent les voies, les positions et le mode de commande du distributeur. ### Vocabulaire * **Pré actionneur :** Composant qui fait le lien entre la partie commande et la partie puissance, adapté et amplifie le signal de commande pour l'actionneur. * **Actionneur :** Composant qui transforme une énergie (électrique, pneumatique, hydraulique) en une action mécanique (mouvement, lumière, chaleur). * **Relais :** Pré actionneur électromécanique de faible à moyenne puissance, utilisé pour commuter des circuits électriques. * **Contacteur :** Pré actionneur électromécanique de forte puissance, utilisé pour commander des moteurs électriques. * **Relais statique (SSR) :** Pré actionneur électronique sans pièce mobile pour la commutation de circuits électriques. * **Distributeur :** Pré actionneur pneumatique ou hydraulique qui dirige le flux de fluide vers l'actionneur. * **Partie commande :** La partie d'un système automatisé qui prend les décisions et envoie les ordres. * **Partie opérative (ou puissance) :** La partie d'un système automatisé qui exécute les actions physiques. * **Contact normalement ouvert (NO - Normally Open) :** Un contact qui est ouvert au repos (sans activation) et se ferme lorsqu'il est commandé. * **Contact normalement fermé (NC - Normally Closed) :** Un contact qui est fermé au repos (sans activation) et s'ouvre lorsqu'il est commandé. ### Exemples #### Exemple 1 : Commande d'un moteur électrique Pour démarrer un moteur électrique industriel (230V, plusieurs ampères) avec un automate (signal de commande 24V DC, quelques mA) : 1. L'automate envoie un signal 24V au **contacteur**. 2. La bobine du contacteur s'excite. 3. Les contacts de puissance du contacteur se ferment, permettant au courant 230V d'alimenter le moteur. 4. Le moteur démarre. Ici, le contacteur est le pré actionneur qui amplifie le signal 24V de l'automate pour commander le moteur 230V. #### Exemple 2 : Commande d'un vérin pneumatique Pour faire sortir la tige d'un vérin pneumatique à double effet : 1. L'automate envoie un signal électrique (par exemple 24V) à un **électrodistributeur** 5/2. 2. L'électro-aimant du distributeur est alimenté et déplace son tiroir interne. 3. Cette action change les chemins de l'air comprimé : l'air est dirigé vers la première chambre du vérin (poussant la tige) et l'autre chambre est mise à l'échappement. 4. La tige du vérin sort. Le distributeur est le pré actionneur qui convertit le signal électrique en action pneumatique. ### Exercices 1. Quel est le rôle principal d'un pré actionneur dans un système automatisé ? 2. Expliquez la différence entre un relais électromécanique et un relais statique. Citez un avantage de chacun. 3. Pourquoi ne peut-on pas directement alimenter un moteur de forte puissance avec le signal de sortie d'un automate ? 4. Un distributeur pneumatique est-il un actionneur ou un pré actionneur ? Justifiez votre réponse. 5. Si vous avez besoin de commuter un circuit de chauffage très rapide et silencieux, quel type de pré actionneur électrique choisiriez-vous ? ### Devoir à la maison 1. Faites des recherches sur les caractéristiques techniques d'un contacteur (tension bobine, courant nominal des contacts, puissance maximale). Expliquez à quoi servent ces différentes valeurs. 2. Dessinez le schéma de principe simplifié (blocs fonctionnels) d'un système automatisé qui utilise un distributeur pneumatique pour faire avancer un vérin. Indiquez la partie commande, le pré actionneur et l'actionneur. 3. Un système automatisé doit allumer une lampe LED (faible puissance) ou démarrer une pompe à eau (forte puissance) selon le besoin. Proposez un pré actionneur adapté pour chaque cas et justifiez votre choix. 4. Qu'est-ce qu'un contact "Normalement Ouvert" (NO) et "Normalement Fermé" (NC) ? Donnez un exemple d'utilisation pour chacun dans un circuit de commande simple. ### Résumé Les pré actionneurs sont des éléments essentiels des systèmes automatisés. Ils agissent comme une interface indispensable entre la partie commande, qui donne les ordres, et la partie opérative (actionneurs), qui exécute les actions. Qu'ils soient électriques (relais, contacteurs, relais statiques) ou fluidiques (distributeurs pneumatiques ou hydrauliques), leur fonction est d'adapter et d'amplifier le signal de commande pour permettre à l'actionneur de fonctionner correctement. Comprendre leur rôle et leur fonctionnement est fondamental pour l'analyse et la conception de tout système automatisé. ## Types de les pré actionneurs ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les pré actionneurs ! Dans les systèmes automatisés, il est essentiel que la partie "cerveau" (la commande) puisse communiquer avec la partie "muscles" (les actionneurs). C'est là qu'interviennent les pré actionneurs. Ils agissent comme des intermédiaires, traduisant les ordres de la commande en actions physiques pour les actionneurs. Comprendre leur rôle et leurs différents types est fondamental en technologie mécanique. ### Concepts Clés #### Le rôle du pré actionneur Un système automatisé est généralement composé de trois parties principales : * **La partie commande :** C'est le "cerveau" du système (par exemple, un automate programmable, une carte électronique). Elle prend les décisions et génère des signaux électriques de faible puissance. * **La partie puissance :** Elle fournit l'énergie nécessaire pour faire fonctionner les actionneurs (par exemple, des moteurs, des vérins). * **Les actionneurs :** Ce sont les "muscles" du système qui réalisent l'action physique (ouvrir une porte, déplacer un objet, etc.). Le **pré actionneur** fait le lien entre la partie commande et la partie puissance. Il reçoit un signal de faible puissance de la partie commande et le convertit en un signal de puissance suffisante pour alimenter l'actionneur. Sans lui, les signaux de commande seraient trop faibles pour activer directement les actionneurs qui nécessitent souvent des courants ou des pressions importantes. #### Types de pré actionneurs Les pré actionneurs peuvent être classés selon l'énergie qu'ils manipulent : électrique, pneumatique ou hydraulique. ##### Pré actionneurs électriques Ils commandent des actionneurs électriques (moteurs, résistances chauffantes, lampes). * **Le Relais :** * **Description :** C'est un interrupteur électromécanique. Une bobine crée un champ magnétique qui attire une armature, fermant ou ouvrant des contacts électriques. * **Principe :** Il utilise un signal électrique de faible puissance pour commander un circuit de puissance plus élevée, tout en assurant une isolation électrique entre les deux circuits. * **Application :** Commande de petites charges électriques, circuits de sécurité, logiques combinatoires. * **Le Contacteur :** * **Description :** C'est un relais de puissance. Son fonctionnement est similaire à celui d'un relais, mais il est conçu pour commuter des courants beaucoup plus importants (plusieurs dizaines, voire centaines d'ampères) et des tensions plus élevées. * **Application :** Démarrage et arrêt de moteurs électriques, chauffage industriel, éclairage de forte puissance. * **Le Relais Statique (SSR - Solid State Relay) :** * **Description :** Contrairement au relais et au contacteur, le relais statique ne possède aucune pièce mobile. Il utilise des composants électroniques (comme les thyristors ou les triacs) pour commuter le courant. * **Principe :** La commutation est entièrement électronique, sans usure mécanique. * **Avantages :** Durée de vie très longue, commutation silencieuse, grande vitesse de commutation, insensible aux vibrations, absence d'arcs électriques. * **Inconvénients :** Génère de la chaleur qu'il faut dissiper, plus sensible aux surcharges, chute de tension aux bornes. * **Application :** Chauffage à régulation précise, contrôle de vitesse de moteurs, applications nécessitant une très grande fiabilité et une haute fréquence de commutation. ##### Pré actionneurs pneumatiques Ils commandent des actionneurs pneumatiques (vérins, moteurs à air comprimé). * **Les Distributeurs pneumatiques :** * **Description :** Ce sont des vannes qui dirigent le flux d'air comprimé vers les différentes entrées d'un actionneur pneumatique. * **Nomenclature :** On les caractérise par le nombre d'orifices (voies) et le nombre de positions. Par exemple, un distributeur 3/2 (trois voies, deux positions) est couramment utilisé pour commander un vérin simple effet. * **Commande :** Ils peuvent être commandés manuellement, mécaniquement, pneumatiquement ou électriquement (on parle alors d'**électrovanne**). * **Application :** Commande de vérins simple et double effet, sélection de chemins d'air comprimé dans un circuit. ##### Pré actionneurs hydrauliques Ils commandent des actionneurs hydrauliques (vérins, moteurs hydrauliques) et fonctionnent avec de l'huile sous pression. * **Les Distributeurs hydrauliques :** * **Description :** Similaires aux distributeurs pneumatiques, mais conçus pour manipuler de l'huile sous très haute pression. * **Nomenclature :** Identique aux pneumatiques (nombre de voies/positions). * **Commande :** Manuelle, mécanique, hydraulique ou électrique (électrovanne hydraulique). * **Application :** Systèmes nécessitant des forces ou des couples très élevés (engins de chantier, presses industrielles, machines-outils). ### Vocabulaire * **Pré actionneur :** Composant qui adapte le signal de commande à l'actionneur. * **Actionneur :** Composant qui réalise une action physique (mouvement, chauffage, lumière). * **Partie commande :** L'intelligence du système automatisé. * **Partie puissance :** La section qui fournit l'énergie brute aux actionneurs. * **Relais :** Pré actionneur électrique pour faibles et moyennes puissances, avec contacts. * **Contacteur :** Pré actionneur électrique pour fortes puissances, avec contacts. * **Relais statique :** Pré actionneur électrique sans contact mécanique, à commutation électronique. * **Distributeur pneumatique :** Pré actionneur qui dirige l'air comprimé. * **Distributeur hydraulique :** Pré actionneur qui dirige l'huile sous pression. * **Voies :** Nombre d'orifices de raccordement sur un distributeur. * **Positions :** Nombre d'états stables que peut prendre un distributeur. * **Électrovanne :** Distributeur commandé électriquement (qu'il soit pneumatique ou hydraulique). ### Exemples 1. **Le contrôle de l'éclairage d'une vitrine :** Un capteur de luminosité (partie commande) détecte la nuit et envoie un signal électrique de faible intensité. Ce signal active un **relais** (pré actionneur) qui va fermer un circuit de puissance, allumant ainsi les lampes de la vitrine (actionneurs). 2. **L'ouverture d'un portail électrique :** Lorsque vous appuyez sur le bouton de votre télécommande (partie commande), un signal est envoyé à un **contacteur** (pré actionneur) qui alimente le moteur électrique (actionneur) pour ouvrir le portail. 3. **Le bras d'un robot d'assemblage :** Pour déplacer une pièce, l'automate (partie commande) envoie un signal électrique à une **électrovanne pneumatique** (pré actionneur). Cette dernière dirige l'air comprimé vers un **vérin pneumatique** (actionneur) qui réalise le mouvement du bras. 4. **La benne d'un camion-benne :** L'opérateur active une commande (partie commande) qui envoie un signal électrique à une **électrovanne hydraulique** (pré actionneur). Cette dernière dirige l'huile sous pression vers le **vérin hydraulique** (actionneur) qui lève la benne. ### Exercices 1. Quelle est la fonction principale d'un pré actionneur dans un système automatisé ? 2. Citez les trois catégories principales de pré actionneurs basées sur le type d'énergie. 3. Quel pré actionneur électrique n'a pas de pièces mobiles ? Quels sont les avantages de cette conception ? 4. Expliquez la différence essentielle entre un relais et un contacteur en termes d'application. 5. Un distributeur 5/2 pneumatique sert généralement à commander quel type d'actionneur ? (Précisez l'effet). ### Devoir 1. Choisissez un système automatisé que vous utilisez ou connaissez dans votre vie quotidienne (lave-linge, distributeur automatique, ascenseur, etc.). Identifiez et décrivez la partie commande, le pré actionneur et l'actionneur que vous pensez y trouver. 2. Comparez les avantages et les inconvénients des pré actionneurs électriques à contacts (relais, contacteurs) et des relais statiques. Dans quelles situations préférerait-on l'un à l'autre ? 3. Faites une recherche et dessinez le symbole normalisé d'un distributeur 3/2 monostable à commande électrique et retour par ressort. Indiquez la signification de chaque partie du symbole. ### Résumé Les pré actionneurs sont des composants indispensables dans tout système automatisé. Ils servent d'interface entre la partie commande, qui génère des signaux de faible puissance, et les actionneurs, qui nécessitent une puissance plus importante pour réaliser leurs tâches. Nous avons exploré les pré actionneurs électriques (relais, contacteurs, relais statiques), pneumatiques (distributeurs pneumatiques) et hydrauliques (distributeurs hydrauliques), chacun adapté à des besoins et des environnements spécifiques. Le choix du bon pré actionneur est crucial pour l'efficacité, la fiabilité et la sécurité d'un système automatisé.