Chaîne d'information

L'intuition

Imagine que tu conduis une voiture. Pour rouler, tu as besoin d'informations sur la route (virages, obstacles), sur la vitesse, sur le niveau de carburant. Ton cerveau (la fonction Traiter) analyse ces informations et décide d'accélérer, de freiner ou de tourner. Tes yeux, tes oreilles, les capteurs du tableau de bord (la fonction Acquérir) collectent ces informations. Ensuite, tes mains sur le volant, tes pieds sur les pédales (la fonction Communiquer) transmettent les ordres à la voiture. La chaîne d'information, c'est exactement ça pour un système technique : il perçoit, il réfléchit, il agit.

Le cours

La chaîne d'information est une composante essentielle de tout système automatisé. Elle gère le flux des données, depuis leur acquisition dans l'environnement jusqu'à leur utilisation pour commander la chaîne d'énergie ou interagir avec l'utilisateur. Elle se décompose en trois fonctions principales : Acquérir, Traiter et Communiquer.

I. La fonction Acquérir

Cette fonction consiste à prélever des informations de l'environnement physique et à les convertir en signaux électriques exploitables par le système. Elle est assurée par des capteurs.

1. Les capteurs

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique (température, distance, présence, etc.) en un signal électrique. On distingue deux grandes catégories :

• Capteurs Tout Ou Rien (TOR) : Ils délivrent un signal binaire (0 ou 1, ouvert ou fermé, vrai ou faux) indiquant la présence ou l'absence d'un phénomène.

  • Exemples :
    • Détecteur de fin de course : Détecte la position extrême d'un élément mécanique.
    • Capteur de présence optique : Détecte un objet par interruption ou réflexion d'un faisceau lumineux.
    • Bouton-poussoir : Indique une action manuelle.
  • Signal de sortie : Généralement une tension (0V ou 5V/24V) ou un contact sec.

• Capteurs Analogiques : Ils délivrent un signal électrique (tension ou courant) dont la valeur est proportionnelle à la grandeur physique mesurée.

  • Exemples :
    • Capteur de distance : Mesure une distance et la convertit en tension ou courant.
    • Capteur de température (CTN, CTP, PT100) : La résistance varie avec la température.
    • Capteur de pression : Mesure une pression.
    • Capteur de force/poids (jauge de contrainte) : Mesure une déformation liée à une force.
  • Signal de sortie : Souvent une tension (ex: 0-10V, 0-5V) ou un courant (ex: 4-20mA). Le courant 4-20mA est souvent utilisé pour de longues distances afin de minimiser les pertes et détecter les ruptures de câble (0mA signifiant une panne).

2. Caractéristiques d'un capteur

• Étendue de mesure : Plage de valeurs de la grandeur physique que le capteur peut mesurer.
• Sensibilité : Rapport entre la variation du signal de sortie et la variation de la grandeur physique d'entrée. Exprimée en V/unité ou mA/unité.
• Précision : Aptitude du capteur à donner des mesures proches de la valeur réelle.
• Linéarité : Capacité du capteur à produire un signal de sortie directement proportionnel à la grandeur d'entrée.
• Temps de réponse : Temps nécessaire au capteur pour réagir à une variation de la grandeur mesurée.

II. La fonction Traiter

Cette fonction reçoit les informations des capteurs, les analyse selon une logique prédéfinie et élabore les ordres à transmettre à la chaîne d'énergie ou à la fonction Communiquer. Elle est généralement assurée par un automate programmable industriel (API) ou des circuits logiques.

1. Logique combinatoire

La sortie d'un système combinatoire dépend uniquement de l'état présent de ses entrées. Il n'y a pas de mémoire.

• Table de vérité : Tableau listant toutes les combinaisons possibles des entrées et les états correspondants des sorties.

  • Exemple : Pour une porte logique ET à deux entrées A et B, et une sortie S :

    A	B	S
    0	0	0
    0	1	0
    1	0	0
    1	1	1

• Équations logiques : Expressions mathématiques utilisant les opérateurs logiques (ET, OU, NON) pour décrire la relation entre les entrées et les sorties.

  • Opérateurs de base :
    • ET (AND) : $S = A \cdot B$ ou $S = A \text{ ET } B$
    • OU (OR) : $S = A + B$ ou $S = A \text{ OU } B$
    • NON (NOT) : $S = \bar{A}$ ou $S = \text{ NON } A$
  • Simplification des équations : Utilisation des théorèmes de l'algèbre de Boole ou des tableaux de Karnaugh pour réduire la complexité des équations logiques.
    • Théorèmes de base :
      • $A \cdot 0 = 0$
      • $A + 0 = A$
      • $A \cdot 1 = A$
      • $A + 1 = 1$
      • $A \cdot A = A$
      • $A + A = A$
      • $A \cdot \bar{A} = 0$
      • $A + \bar{A} = 1$
      • $\overline{\bar{A}} = A$
    • Théorèmes de De Morgan :
      • $\overline{A \cdot B} = \bar{A} + \bar{B}$
      • $\overline{A + B} = \bar{A} \cdot \bar{B}$
    • Distributivité :
      • $A \cdot (B + C) = A \cdot B + A \cdot C$
      • $A + (B \cdot C) = (A + B) \cdot (A + C)$
    • Absorption :
      • $A + A \cdot B = A$
      • $A \cdot (A + B) = A$

2. Logique séquentielle

La sortie d'un système séquentiel dépend non seulement de l'état présent de ses entrées, mais aussi de l'historique de ses entrées (état précédent). Il intègre une mémoire. Les grafcets sont un outil graphique pour décrire la logique séquentielle.

3. Automate Programmable Industriel (API)

C'est un micro-ordinateur industriel robuste, conçu pour piloter des processus automatisés. Il exécute un programme (souvent en langage Ladder ou Grafcet) qui gère les entrées/sorties et la logique de commande.

III. La fonction Communiquer

Cette fonction assure l'échange d'informations entre le système automatisé et son environnement externe, notamment l'opérateur humain ou d'autres systèmes.

1. Interfaces Homme-Machine (IHM)

Elles permettent à l'opérateur de :

• Visualiser l'état du système : Écrans tactiles, voyants lumineux, afficheurs.
• Saisir des commandes : Boutons, claviers, écrans tactiles.

2. Signaux de sortie

Ce sont les ordres électriques générés par la fonction Traiter et destinés à la chaîne d'énergie (actionneurs) ou à d'autres systèmes.

• Signaux TOR : Pour commander des actionneurs TOR (moteur ON/OFF, vérin sortie/rentrée).
• Signaux analogiques : Pour commander des actionneurs à variation continue (variateur de vitesse, vanne proportionnelle).
• Réseaux de communication : Pour échanger des données avec d'autres équipements (Ethernet, Modbus, AS-i). Les annales montrent souvent des questions sur l'adressage IP ou les trames de communication.

Exemple résolu

Prenons un extrait d'annale sur l'acquisition et le traitement d'un signal analogique.

Extrait d'annale : Le capteur de distance (CD) a une étendue de mesure de 0 à 4800 mm. Il est situé assez loin de l'armoire de commande contenant l'ensemble de l'appareillage ainsi que les cartes électroniques. Pour éliminer l'effet négatif de la chute de tension due à la longueur importante des câbles, on utilise un transmetteur de type « $4-20 \text{ mA}$ ». Le schéma de principe du transmetteur est donné ci-dessous.

Question 35 (adaptée) : Déterminer la sensibilité $S$ du capteur de distance en $\text{mA/mm}$.

Résolution :

1. Identifier les données :

   • Étendue de mesure de la distance : $D_{min} = 0 \text{ mm}$ à $D_{max} = 4800 \text{ mm}$.
   • Étendue du signal de sortie du transmetteur : $I_{min} = 4 \text{ mA}$ à $I_{max} = 20 \text{ mA}$.

2. Définir la sensibilité : La sensibilité est le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation de la grandeur d'entrée. $S = \frac{\Delta I}{\Delta D}$

3. Calculer les variations :

   • Variation du courant : $\Delta I = I_{max} - I_{min} = 20 \text{ mA} - 4 \text{ mA} = 16 \text{ mA}$.
   • Variation de la distance : $\Delta D = D_{max} - D_{min} = 4800 \text{ mm} - 0 \text{ mm} = 4800 \text{ mm}$.

4. Calculer la sensibilité : $S = \frac{16 \text{ mA}}{4800 \text{ mm}} = \frac{1}{300} \text{ mA/mm} \approx 0,00333 \text{ mA/mm}$.

Question 36 (adaptée) : Si le capteur est à une distance $L$ (en mm), exprimer le courant $I$ (en mA) en fonction de $L$.

Résolution :

1. Relation linéaire : Le signal de sortie d'un capteur analogique est généralement linéaire par rapport à la grandeur mesurée. On peut écrire une équation de la forme $I = S \cdot L + I_0$, où $I_0$ est le courant pour $L=0$.

2. Utiliser la sensibilité calculée : $S = \frac{1}{300} \text{ mA/mm}$.

3. Déterminer $I_0$ : Pour $L = 0 \text{ mm}$, le courant est $I_{min} = 4 \text{ mA}$. Donc $I_0 = 4 \text{ mA}$.

4. Écrire l'équation : $I(L) = \frac{1}{300} L + 4$. On peut aussi vérifier avec $L = 4800 \text{ mm}$ : $I(4800) = \frac{1}{300} \cdot 4800 + 4 = 16 + 4 = 20 \text{ mA}$, ce qui correspond bien à $I_{max}$.

La méthode

Pour aborder les questions sur la chaîne d'information à l'examen, suis ces étapes :

1. Analyser le système global :

   • Lis attentivement le dossier technique et identifie le rôle du système.
   • Repère les chaînes d'information et d'énergie sur les schémas fonctionnels (FAST, SADT).
   • Identifie les grandeurs physiques à mesurer et les actions à réaliser.

2. Pour la fonction Acquérir (Capteurs) :

   • Identifier le type de capteur : Est-ce un capteur TOR ou analogique ? La nature du signal de sortie est cruciale.
   • Relever les caractéristiques : Étendue de mesure, plage de sortie (ex: 0-10V, 4-20mA).
   • Calculer la sensibilité : Si le capteur est analogique et linéaire, la sensibilité $S = \frac{\Delta \text{Sortie}}{\Delta \text{Entrée}}$.
   • Établir la relation entrée/sortie : Souvent une relation linéaire $Y = S \cdot X + Y_0$.
   • Choisir un capteur : En fonction de la grandeur à mesurer, de la précision requise, de l'environnement (distance, température, etc.).

3. Pour la fonction Traiter (Logique) :

   • Identifier le besoin : S'agit-il de logique combinatoire ou séquentielle ?
   • Logique combinatoire :
     • Établir la table de vérité : Liste toutes les combinaisons d'entrées et les sorties correspondantes.
     • Écrire l'équation logique : À partir de la table de vérité ou du cahier des charges.
     • Simplifier l'équation : Utilise les théorèmes de l'algèbre de Boole ou les tableaux de Karnaugh pour obtenir l'expression la plus simple. C'est souvent demandé et valorisé.
   • Logique séquentielle (Grafcet) :
     • Identifier les étapes et les transitions : Définis clairement les actions à chaque étape et les conditions de passage d'une étape à l'autre.
     • Traduire en langage API : Si demandé, cela implique souvent de comprendre comment un grafcet est implémenté dans un automate.

4. Pour la fonction Communiquer (IHM, Signaux) :

   • Identifier les interfaces : Comment l'opérateur interagit avec le système ? (Boutons, voyants, écran tactile).
   • Identifier les signaux de commande : Quels sont les ordres envoyés aux actionneurs ? (TOR, analogiques).
   • Comprendre les réseaux : Si un réseau de communication est mentionné (Ethernet, AS-i), sois prêt à des questions sur l'adressage (IP) ou le format des données.

Pièges classiques

1. Confondre capteur TOR et analogique : Un capteur TOR donne une information binaire (présence/absence), un analogique donne une valeur proportionnelle. Ne pas mélanger les types de signaux.

   • Exemple : Un capteur de fin de course ne te donnera pas une distance, juste "atteint" ou "non atteint".
   • Contre-exemple : Un capteur de distance à ultrasons te donnera une tension qui varie avec la distance.

2. Erreurs dans la simplification des équations logiques : Une erreur de signe ou un théorème mal appliqué peut rendre toute l'équation fausse.

   • Exemple d'erreur : $\overline{A \cdot B} = \bar{A} \cdot \bar{B}$ (faux, c'est $\bar{A} + \bar{B}$).
   • Contre-exemple : $\overline{A + B} = \bar{A} \cdot \bar{B}$ (correct, théorème de De Morgan).
   • Conseil : Vérifie toujours tes simplifications avec quelques combinaisons d'entrées.

3. Mauvaise interprétation des signaux 4-20mA : Le 0mA n'est pas le minimum de la mesure, mais un défaut de câble. Le minimum de la mesure correspond à 4mA.

   • Exemple d'erreur : Calculer la sensibilité d'un capteur 4-20mA sur une étendue de 0-20mA.
   • Contre-exemple : Pour une étendue de mesure de 0-100 unités, le 0 unité correspond à 4mA et le 100 unités à 20mA.

4. Oublier les unités ou les conversions : Toujours indiquer les unités dans les calculs et les résultats. Fais attention aux conversions (mm en m, mA en A, etc.).

   • Exemple : Une sensibilité en V/mm si la distance est en mm et la tension en V.

Ce qui tombe à l'examen

Le chapitre "Chaîne d'information" représente environ 20% de la note totale de l'épreuve de Sciences de l'Ingénieur. Les questions sont souvent intégrées dans l'étude d'un système technique réel.

Voici les formats de questions récurrents et leur pondération typique :

• Analyse fonctionnelle (SADT, FAST) :

  • Identification des fonctions : On te demande de placer les fonctions Acquérir, Traiter, Communiquer sur un schéma fonctionnel (SADT ou FAST) du système. (0.5 à 1 pt par fonction bien placée).
    • Exemple : Compléter un diagramme SADT A-0 ou A-x en identifiant les entrées/sorties et les fonctions.
    • 
    • 

• Capteurs (Acquérir) :

  • Choix de capteur : Justifier le choix d'un type de capteur (TOR/analogique, technologie) en fonction de la grandeur à mesurer et des contraintes (environnement, précision, distance). (0.5 à 1 pt).
  • Calcul de sensibilité/étendue : Déterminer la sensibilité d'un capteur analogique ou calculer la valeur de sortie pour une entrée donnée, ou inversement. (1 à 2 pts).
    • Exemple d'annale : "Le capteur de distance (CD) a une étendue de mesure de 0 à 4800 mm... transmetteur de type « $4-20 \text{ mA}$ ». Déterminer la sensibilité en mA/mm."
  • Interprétation de courbes de capteurs : Analyser une caractéristique capteur (linéarité, plage). (0.5 à 1 pt).

• Traitement de l'information (Traiter) :

  • Logique combinatoire :
    • Table de vérité : Établir la table de vérité d'un système à partir d'un cahier des charges. (1 à 2 pts).
    • Équations logiques : Écrire et simplifier des équations logiques (souvent avec 2 ou 3 variables) en utilisant l'algèbre de Boole ou les tableaux de Karnaugh. C'est une compétence clé. (1.5 à 3 pts).
  • Logique séquentielle (Grafcet) :
    • Analyse de Grafcet : Interpréter un Grafcet donné, identifier les étapes, les transitions, les réceptivités et les actions. (1 à 2 pts).
    • Compléter un Grafcet : Ajouter des étapes ou des transitions manquantes. (1 à 2 pts).
  • Programmation API (rarement en détail) : Parfois, des extraits de code (Ladder ou assembleur pour PIC) sont donnés, et il faut en comprendre une partie ou compléter une ligne. (1 à 2 pts).
    • Exemple d'annale : "Configuration des ports B et C... Programme de la partie encadrée de l’organigramme."

• Communication (Communiquer) :

  • IHM : Identifier les rôles des éléments d'une IHM (voyants, boutons, afficheurs). (0.5 à 1 pt).
  • Réseaux de communication : Questions sur l'adressage IP, les types de réseaux industriels (Ethernet, AS-i, Modbus). (1 à 2 pts).
    • Exemple d'annale : "Étude de l’adressage IP du réseau local... L’adresse IP (4 octets) en notation décimale pointée d’une machine est exprimée par 4 nombres décimaux compris entre 0 et 255 séparés par des points."

La capacité à analyser et modéliser (30%) est testée par l'identification des fonctions et le choix des capteurs. La résolution et le calcul (40%) sont évalués par les calculs de sensibilité, les équations logiques et les interprétations de signaux. La validation et la critique (30%) peuvent apparaître dans des questions où tu dois justifier un choix ou commenter une performance.

Sois précis, rigoureux dans tes calculs et tes justifications. Chaque point compte.