Tpe Automatismes [PDF]

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REPUBLIQUE TUNISIENNE

‫الجمهــورية التونسيـة‬ ‫وزارة الـتـعـلـيـــــم الـعـالـــــي و الـبـحــث الـعـلـمــــــي‬ ‫المنستير‬  ‫جامعـــة‬

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

‫بالمنستير المدرسة الوطنية للمهندسين‬

Université de Monastir Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir

Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès

Département Génie Électrique

Rapport de TPE : Automatismes

Elaboré par : TLILI Donia MOULDI Souhir 2eme Année Génie Electrique 3

Encadré par : MM. OUANES Fayka Année Universitaire : 2020/2021

Table des matières : Introduction générale..................................................................................................................................3 Chapitre 1 : Les systèmes automatisés :......................................................................................................5 I-

Introduction aux système automatisés :..........................................................................................5 1.

Fonction globale :........................................................................................................................5

2.

Structure d’un système automatisé.............................................................................................5 2.1.

Matière d’œuvre :................................................................................................................6

2.2.

Valeur ajoutée :...................................................................................................................6

2.3.

Les actionneurs :..................................................................................................................6

2.4.

Les préactionneurs :.............................................................................................................7

2.5.

Les capteurs :.......................................................................................................................8

Chapitre 2 : Présentation du Projet :.........................................................................................................10 I.

Introduction :.................................................................................................................................10

II.

Description du système :...............................................................................................................10

III.

Cahier des charges :...................................................................................................................11

IV.

Fonctionnement :......................................................................................................................11

V.

Architecture du système :..............................................................................................................12

References.................................................................................................................................................16

Introduction générale L’automatisation c’est l’exécution automatique de tâches sans interventions humaines, son but primordial est de piloter les organes de commandes (moteurs, vérins, vannes etc.) en fonction d'un état souhaité et de l'évolution réelle du système à commander. Pour atteindre ces objectifs, nombreuses technologies complémentaires existent comme l'instrumentation (par l'intermédiaire des capteurs et des détecteurs) ou la vision industrielle (à l’aide du traitement d'image) pour les mesures, les réseaux industriels pour faire circuler l'information, ou la robotique pour des processus de fabrication complexes, exigeants, pénibles ou s'exerçant en environnement dangereux. L’automatisation a envahi tous les domaines, du domestique à l’industriel. Un exemple d’application dans le domaine domestique est le « Home Security », qui est un système de sécurité qui vise à protéger notre propriété et les personnes qui s'y trouvent contre les cambriolages, les intrusions, les incendies et autres catastrophes environnementales telles que l'éclatement de tuyaux. Les services de surveillance professionnels assurent tout ça, que vous soyez conscient du problème ou non, et peuvent également vous aider en cas d'urgence médicale. Dans l’esprit de ce qui précède, ce projet s’inscrit dans le cadre du développement d’un système alarme muni de capteurs et détecteurs. Ce rapport est organisé en deux chapitres. Le premier chapitre est réservé à la présentation de l’historique de l’automatisme, la solution d’automatisation proposée est présentée dans le deuxième chapitre. En effet, le choix des équipements et l’architecture matérielle ainsi que la partie logicielle y seront largement détaillés.

Chapitre 1 : Les systèmes automatisés

Chapitre 1 : Les systèmes automatisés : I-

Introduction aux système automatisés :

1. Fonction globale : Un système automatisé est un ensemble de technologies utilisant l'électronique, l'électrotechnique et la mécanique pour concevoir des processus automatisés capables fonctionner sans intervention humaine. Ce système permet d’apporter une valeur ajoutée à des matières d’œuvre en les faisant passer d’un état initial donné à un état final souhaité.

Figure 1 forme générale d'un système automatisé

La fonction d’un système automatisé est de réaliser un certain nombre de tâches, des actions bien précises pour donner à la matière d’œuvre une valeur ajoutée. Si l’obtention de la valeur ajoutée a un caractère reproductif, le système est dit industriel.

2. Structure d’un système automatisé

Ce système se compose d’une partie opérative qui à pour rôle la réalisation des tâches, c’est la partie qui effectue le travail. Et une partie commande qui effectue la coordination des tâches, elle donne les ordres et reçoit les informations de l’extérieur ou de la partie opérative. 

Figure 2 décomposition fonctionnelle d'un système automatisé

2.1. Matière d’œuvre :

La matière d'œuvre est constituée des éléments modifiés par l'intervention du système étudié. Elle peut se présenter sous plusieurs formes. Par exemple : - Produit : liquide, solide, gazeux… - Énergie : électrique, thermique, mécaniques… - Information : physique, audiovisuel… 2.2. Valeur ajoutée :

C'est la modification apportée par l'action du système sur la matière d'œuvre d'entrée. Autrement dit, c’est le résultat de l’évaluation de la différence entre l’état initial et l’état final de la matière d’œuvre. Cette valeur ajoutée est caractérisée par sa nature, sa quantité et sa qualité, à savoir : - Une modification physique : conversion d'énergie, mécanique, etc. - Un arrangement particulier : montage, assemblage, etc. - Un prélèvement d'information : mesure, contrôle, etc 2.3. Les actionneurs :

Les actionneurs de la PO ont pour but de convertir une énergie d’entrée sous une certaine forme en une énergie sous une forme différente adaptée à l’opération à effectuer.

Figure 3 structure générale d'un actionneur

Les actionneurs peuvent être classés selon : a) Le type d’énergie :  Les actionneurs électriques  Les actionneurs pneumatiques  Les actionneurs hydrauliques  Les actionneurs mécaniques Dans la majorité des cas, ces actionneurs modifient la nature de l’énergie reçue en énergie mécanique. b)  La manière de mise en œuvre :  Les actionneurs de type Tout ou Rien (TOR) : ils n’ont que deux états possibles (repos ou action). Exemple: vérin pneumatique.

Tableau 1 classification des actionneurs courants

2.4. Les préactionneurs :

Ils reçoivent des signaux de faible énergie adressés par la PC et les transforment en grandeurs physiques. Les préactionneurs envoient l’énergie aux actionneurs, ils représentent l’interface entre le traitement des informations et les actionneurs.

Tableau 2 classification des préactionneurs courants

2.5. Les capteurs :

Ils sont des outils qui transforment une grandeur physique (force, vitesse, position pression, débit, intensité…) en un signal logique ou analogique porteur d’une information exploitable par la PC. Le rôle des capteurs consiste à saisir une information d’état de la PO (ou de la matière d’œuvre d’entrée) et la transformer en un signal transportable (flux énergie) et compréhensible par la PC.

Figure 4 structure générale d'un capteur

Chapitre 2 : Présentation du Projet

Chapitre 2 : Présentation du Projet : I.

Introduction :

Un système de sécurité incendie est un équipement qui permet de mettre en sécurité l'établissement dès l'apparition d'un signe de feu. Dans un établissement recevant du Public ou dans les immeubles de grande hauteur, le système de sécurité incendie est un des moyens de secours qui peut être imposé soit par le règlement de sécurité, soit par la commission de sécurité. Ayant pour but premier d'assurer la sécurité des personnes, puis de faciliter l’intervention des pompiers et enfin de limiter la propagation du feu, l'appareil détecte, et provoque plusieurs actions de sécurité. Ces actions sont classées en quatre familles de fonction que l'on note : Compartimentage, Désenfumage, Arrêt Technique, Évacuation. Ce système présente 3 qualités incontournables : Fiabilité, Crédibilité, Rapidité. Pour ces raisons, il fait l'objet de tests quotidiens, et de vérifications annuelles par des organismes certifiés. Un « Home security » peut fournir de nombreux services tels que la surveillance professionnelle et la protection contre les incendies, les cambriolages et les intrusions à l'aide de différents capteurs, détecteurs et caméras. Malheureusement, ces services entraînent des coûts énormes qui rendent leur application à grande échelle difficile. Mais maintenant, grâce à l'utilisation des ‘’single board computers’’ ou carte commandes (comme Raspberry pi et Arduino), de tels services sont possibles avec une mise en œuvre moins complexe et des coûts réduits. Cette partie présentera un système de sécurité fiable et peu coûteux contre les incendies basé sur une carte commande et une grande variété de capteurs.

II.

Description du système :

La partie d'acquisition de données comprend un capteur de température, un capteur de fumée, un capteur de gaz inflammable, un circuit de traitement du signal et un CAN. Le système transforme les signaux non électriques (concentration de fumée, changement de température, gaz inflammable) en signaux électriques à travers les capteurs d'abord, puis traite le signal électrique de la sortie des capteurs pour répondre aux exigences de la conversion A/N, et transforme le signal analogique en numérique par le CAN. Enfin il déclenche une alarme que ce soit sonore ou en envoyant un message SOS aux pompiers ou les deux en même temps.

III.

Cahier des charges :

Pour résoudre ces différentes anomalies, nous proposons de mettre en place un système de sécurité et de détection de flammes afin de protéger les zones risquées de l’usine contre les incendies. Le but de ce projet consiste à concevoir un système automatisé capable d’assurer cette mission en respectant le cahier des charges suivant :  Protection contre les incendies : Le système doit assurer la détection de flamme dans les endroits susceptibles d’être des foyers d’incendie. Dans le cas d’une détection de flamme suspecte, le système doit activer une sirène.  Supervision et la surveillance du système à l’aide d’une interface graphique dans le but d’identifier le capteur déclenché et localiser la zone de l’incendie.

IV.

Fonctionnement :

Le système d'alarme incendie proposé est un système de surveillance en temps réel qui détecte la présence de fumée dans l'air causée par un incendie et capture des images via une caméra installée à l'intérieur d'une pièce lorsqu'un incendie se produit. Les systèmes embarqués utilisés pour développer ce système d'alarme incendie sont Raspberry Pi et Arduino Uno. La principale mission du système est d'envoyer à distance une alerte lorsqu'un incendie est détecté. Lorsque la présence de fumée est détectée, le système affiche une image dans une page Web. Le système aura besoin de la confirmation de l'utilisateur pour signaler l'événement au pompier à l'aide du service de messages courts (SMS). L'avantage d'utiliser ce système est qu'il réduira la possibilité d'une fausse alerte signalée au pompier. La caméra ne capturera qu'une image, donc ce système consommera un peu de stockage et d'énergie.

Les détecteurs sont installés dans des emplacements comme les portes, les fenêtres, la cuisine et les chambres, tandis que l'hôte d'alarme se trouve dans une zone cachée et sécurisée. Lorsqu'une urgence survient, le détecteur correspondant envoie immédiatement un signal d'alarme à l'hôte avec les détails comme le type d’urgence (fumée détectée, incendie ou gaz toxique). Ensuite, l'hôte analyse automatiquement les données, compose l'appel d'alarme qui est préenregistré et émet une alarme sonore et lumineuse sur site. Si quelqu'un est à la maison, il peut appuyer sur le bouton de désarmement, pour que l'hôte d'alarme n’appellera pas la pomperie même si le détecteur envoie un signal d'alarme.

V. Architecture du système : Schéma global du système :

Figure 5 Schéma global du système

Matériel Utilisé : 1. Raspberry Pi : Comme carte de commande du système, nous avons choisi le Raspberry Pi qui est un nanoordinateur monocarte à processeur ARM de la taille d'une carte de crédit conçu par des professeurs du département informatique de l'université de Cambridge dans le cadre de la fondation Raspberry Pi3.

Le Raspberry Pi fut créé afin de démocratiser l'accès aux ordinateurs et au digital making (terme anglophone désignant à la fois la capacité de résolution de problèmes ainsi que les compétences techniques et informatiques). Cette démocratisation est possible en raison de l'abordabilité du Raspberry Pi, mais aussi grâce aux logiciels libres. Le Raspberry Pi permet l'exécution de plusieurs variantes du système d'exploitation libre GNU/Linux, notamment Debian, et des logiciels compatibles. Mais il fonctionne également avec le système d'exploitation Microsoft Windows : Windows 10 IoT Core, Windows 10 on ARM, celui de Google Android Pi et même une version de l'OS/MVT d'IBM accompagnée du système APL\360.

Il est fourni nu, c'est-à-dire la carte mère seule, sans boîtier, câble d'alimentation, clavier, souris ni écran, dans l'objectif de diminuer les coûts et de permettre l'utilisation de matériel de récupération. Néanmoins des « kits » regroupant le « tout en un » sont disponibles sur le web à partir de quelques dizaines d'euros seulement. Son prix de vente était estimé à 25 $ américains, soit 19,09 €, début mai 2011. Les premiers exemplaires ont été mis en vente le 29 février 2012 pour environ 25 €. En septembre 2016, plus de dix millions de Raspberry Pi ont été vendus. De multiples versions ont été développées, les dernières sont vendues un peu plus de 25 € pour le B+, à un peu plus de 30 € pour le Pi 2 (2015), un peu plus de 35 € pour le Pi 3 (2016), 5 € pour le Raspberry Pi Zero (2016), 10 € pour le Raspberry Pi Zero W (2017), 15 € pour le Raspberry Pi Zero WH (2018) et 40 € pour le Raspberry Pi 4 (varie selon la quantité de mémoire). Le Raspberry Pi est utilisé par des « makers » du monde entier car son prix le rend très attirant. Le Raspberry Pi dispose de pins GPIO qui permettent la connexion de cartes d'extension ou d'autres composants électroniques pour réaliser des montages.

Figure 6 Carte Raspberry Pi 4

Figure 7 Logo Raspberry Pi

2. Les capteurs :  QM-NG1 : Le capteur utilisé dans ce système est le capteur de gaz QM-NG 1 pour détecter la présence de fumée. Il peut être placé à n'importe quel endroit à l'intérieur de la pièce, mais il est préférable de le placer au centre de la pièce. Le choix du capteur a été fait en raison de sa haute sensibilité aux gaz toxiques, de sa longue durée d'induction et de sa longue durée de vie.

Figure 3. Capteur QM-NG1 

DHT22 :

Il s'agit d'un capteur numérique d'humidité et de température à faible coût. Dans ce système, le capteur est utilisé pour mesurer la température de l'air ambiant afin de détecter un incendie. La plage de température du DHT22 est de -40 à 80 ° C avec une précision de ± 0,5 ° C. Ce capteur de température et d'humidité basé sur le circuit DHT22 communique avec un microcontrôleur type Arduino ou Raspberry via une sortie digitale.  Ce capteur est livré avec un jeu de cordon F/F compatible Raspberry Pi. 

Figure 4. Module capteur t° et humidité SEN-DHT22 

TTL Serial JPEG Camera :

C'est un appareil d'acquisition d'images. Les principales caractéristiques de cet appareil photo sont les suivantes :

Les photos peuvent être prises à différentes tailles (640x480, 320x240 ou 160x120), les images capturées sont pré-compressées, ce qui les rend petites et adaptées pour être stockées sur des cartes MicroSD, luminosité automatique, contraste automatique, et dispose d'une détection de mouvement intégrée. Dans ce système, la caméra a été utilisée pour capturer des images lorsqu'un événement indésirable se produit.

Figure 5. Module TTL Serial JPEG Camera



Buzzer :

Il s'agit d'un dispositif de signalisation audio qui produit une gamme de tonalités sonores en fonction de la fréquence d'entrée. Dans ce système, le buzzer est utilisé pour émettre une tonalité sonore en tant qu'alarme de notification.

Figure 6. Module Buzzer

References Automation-sense: https://www.automation-sense.com/blog/automatisme/automatismeindustriel.html (2015).

AIDOUD, MOHAMMED. "Automatismes industriels." (2020).