Sujet Devoir Maison

Sujet du devoir
Les réponses aux questions notées Qxx sont a rédigées sur des copies doubles, alors que celles
notées Qyy doivent être rédigées sur le document chemise Devoir maison 10_14.
Bonnes vacances !!
A Implantation d’une ferme de SEAREV autour de l’île d’Yeu.
Pourquoi un tel projet ?
Outre leur contribution à la diminution des émissions de
gaz à effet de serre, les énergies renouvelables présentent
le double avantage de réduire la dépendance des États visà-vis des importations d’énergies fossiles, et d'être fondées
sur des technologies de pointe créatrices d'emplois et
d'exportations.
Pour répondre à ces deux problématiques, des chercheurs
du Laboratoire de Mécanique des Fluides (LMF) de
l’École Centrale de Nantes ont eu l’idée d’exploiter les
énergies de la mer, notamment celle des vagues.
Ils ont ainsi conçu le prototype d’un système électrique
autonome de récupération de l’énergie des vagues appelé
SEAREV.
Figure 1 : prototype du SEAREV
à l’échelle 1 : 12
Projet de ferme marine
Les développeurs estiment que l’on pourrait installer en mer des parcs de machines avec une densité
de puissance de l’ordre de 25 MW par km2 de mer occupée, ce qui pourrait alimenter environ 8 000
foyers français en électricité (moyenne annuelle hors chauffage).
Le SEAREV grandeur réelle (24 m sur 14 m, 1 000 tonnes dont 400 tonnes pour la roue pendulaire)
devrait avoir une puissance électrique installée de 500 kW.
Une ferme houlomotrice sera constituée de
plusieurs dizaines de modules SEAREV ancrés
par 30 à 50 m de fond, donc à 5 ou 10 km des
côtes. L’électricité sera transportée à terre par un
câble sous-marin. Les SEAREV situés au ras de
l’eau seront bien balisés mais quasi invisibles
depuis la côte.
Le choix de l’implantation de la ferme doit donc
être étudié avec attention car il a une incidence
forte sur le nombre de foyers à terre alimentés en
Figure 2 : modélisation d’une ferme marine
électricité.
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Principe de fonctionnement du SEAREV
SEAREV est un système offshore de deuxième
génération composé d’une coque étanche dans
laquelle est suspendue une roue pendulaire chargée
qui joue le rôle d’un pendule embarqué (figure 3 :
engrenages entre la roue pendulaire et les tiges de
vérin non représentés).
La masse de cette roue à axe horizontal, de grand
diamètre (9 m), est concentrée dans la partie
inférieure lestée avec du béton. La partie supérieure
est évidée. Sous l’action de la houle et des vagues, le
SEAREV se met à osciller, entraînant à son tour un
mouvement de va-et-vient de la roue pendulaire.
Chacun possède son propre mouvement, le
mouvement relatif entre la coque et la roue actionne
Figure 3 : schéma de principe du
un système hydro-électrique de conversion de
fonctionnement du SEAREV
l’énergie mécanique en énergie électricité : des vérins
hydrauliques liés à la roue pendulaire chargent des accumulateurs à haute pression. En se
déchargeant, ces derniers livrent à leur tour leur énergie à des moteurs hydrauliques qui entraînent
des générateurs d’électricité.
Compte-tenu de leur coût individuel et du coût de leur installation, les modules SEAREV devront
être des plus performants au point de vue de la production d’énergie et devront résister longtemps à
l’environnement marin.
Viabilité du projet
Objectifs : analyser la viabilité du projet d’installation d’une ferme de SEAREV à proximité de
l’île d’Yeu pour garantir son autonomie électrique.
Répondre à la problématique « exploiter l’énergie de la mer tout en respectant l’environnement
(paysage, faune et flore sous-marine) est-elle une idée envisageable pour l’île d’Yeu ? ».
QA1 À l’aide de la carte
des mers entourant la France
(figure 4), indiquer la côte la
plus
adéquate
pour
l’installation d’une ferme de
SEAREV (côte de la Manche
ou de l’Atlantique) et
estimer la hauteur des
vagues autour de l’île d’Yeu.
Figure 4 : carte des mers de l’ouest de la
France (hauteur de vagues).
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Contraintes environnementales
Dans l’élaboration d’un projet de création d’énergie alternative
et « propre » comme le SEAREV, les ingénieurs ne peuvent plus
éviter, avec les contraintes sociales de notre époque, de réaliser
une étude complète du cycle de vie du produit (voir figure 5).
Le SEAREV est encore à l’état de prototype mais on émet
l’hypothèse que le produit final soit fabriqué réellement dans
une usine située à Nantes à proximité de l’École Centrale
(bureau d’études du projet).
Figure 5 : cycle de vie d’un
produit
Les données concernant son transport (voir figure 6) jusqu’à sa zone de largage en mer sont les
suivantes :
– masse totale d’un SEAREV, Ms = 1 000 tonnes ;
– transport routier jusqu’au port de Saint-Nazaire1
(ce port propose toutes les infrastructures
nécessaires pour gérer le chargement du SEAREV
pour son transport maritime), soit un trajet de
63 km ;
– masse en charge maximale admissible d’un semiremorque, 40 tonnes ;
– transport maritime de Saint-Nazaire à l’île
d’Yeu, soit un trajet de 68 km ;
– facteur d’émission GES 2 (Gaz à Effet de Serre)
pour le frêt maritime, 38,84 g éq C·tonne -1·km-1.
Figure 6 : carte de transport du SEAREV
QA2 Estimer les émissions GES découlant du transport d’un SEAREV du port de Saint-Nazaire
jusqu’à sa destination finale en mer au large de l’île d’Yeu (partie maritime de l’étape du cycle de
vie nommée « distribution ») et celles liées à son fonctionnement.
QA3 Le transport maritime du SEAREV dégage déjà beaucoup d’émissions GES. En ce qui
concerne son transport routier, critiquer l’emplacement de l’usine de fabrication par rapport à la
masse du SEAREV et proposer une solution pour diminuer au maximum les émissions dans cette
étape du cycle de vie.
QA4. Conclure sous la forme d’un texte de quelques lignes sur la pertinence d’installer une
ferme de SEAREV autour de l’île d’Yeu.
1
Le port de Saint-Nazaire est connu pour son chantier naval (Chantiers de l’Atlantique) : le plus grand d’Europe. Celuici a construit un grand nombre de navires tels que les paquebots Queen Mary 2, Normandie ou France.
2
Le facteur d’émission donné est une valeur moyenne prenant en compte la fabrication du véhicule, la combustion de
carburant et ses émissions en amont, les voyages à vide et en charge.
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B Distributeur automatique de pizzas CooKsee
Présentation
Le groupe CooKsee technologie est le concepteur du premier automate préparateur et distributeur
de pizzas. Cet automate CooKsee propose aux consommateurs une pizza de qualité, préparée devant
eux en dix minutes au prix d’une pizza à emporter, de jour comme de nuit et sept jours sur sept.
Il se présente comme un distributeur automatique (voir Figures 1 et 2), muni d’une surface
vitrée qui dévoile chaque étape de la préparation et de la cuisson de la pizza. Le client choisit une
recette parmi un large éventail de propositions.
Zone de stockage
Figure 1
Figure 2
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Fabrication d’une pizza
La fabrication d’une pizza repose sur l’utilisation de dosettes qui contiennent la juste proportion des
ingrédients nécessaires à sa confection. Trois types de dosettes sont requis pour la fabrication d’une
pizza :
 Dosettes de type A : elles contiennent la pâte.
 Dosettes de type B : elles contiennent la tomate et le fromage.
 Dosettes de type C : elles contiennent les ingrédients de personnalisation (trois ingrédients
par dosettes : champignons, olives…).
L’automate assure lui-même le broyage et le stockage des déchets (dosettes vides).
La réalisation d’une pizza requiert un certain nombre de tâches dont les principales sont :
 Etalement d’une pâte (dosette A) sur une sole (plaque de cuisson).
 Précuisson de levée de la pâte sans levain dans un four spécialement conçu et faisant l’objet
d’un dépôt de brevet.
 Dépose de la sauce tomate et du fromage (dosette B).
 Dépose des ingrédients de personnalisation (dosette C).
 Cuisson de la pizza.
 Conditionnement de la pizza dans un carton.
Le GRAFCET d’un
point de vue
système, donné cicontre, permet de
mieux appréhender le
cycle de fabrication
d’une pizza. Ce
GRAFCET a été
volontairement
simplifié, il ne prend
notamment pas en
compte la possibilité
de préparation
simultanée de
plusieurs pizzas ou la
gestion des deux
fours.
Variable d’étape
Pour les GRAFCET,
à chaque étape on
associe une variable
booléenne notée Xi
où i est le numéro
d'étape.
Cette
variable
est
considérée vraie (1)
quand
l'étape
correspondante est
active et fausse (0)
quand l'étape est
inactive.
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Transitions temporisées
La notation est de la forme
«t1/variable/t2». Dans l’exemple la
réceptivité n'est vraie que 3 s après que
« a » passe de l’état 0 à l’état 1, elle ne
redevient fausse que 7 s après que
« a » passe de l’état 1 à l’état 0.
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Transition temporisée : cas
général
Analyse fonctionnelle
QB1 A partir de l’analyse des éléments précédents, compléter le diagramme de niveau A-0 de
l’analyse fonctionnelle de l’automate à pizzas.
Analyse temporelle
Le GRAFCET d’un point de vue système, permet de mieux appréhender le cycle de fabrication
d’une pizza. La gestion de la distribution des pizzas non décrite dans ce GRAFCET, sera étudiée
aux questions QB4 et QB5.
QB2 Justifier la réceptivité associée à la transition t89.
QB3 La capacité de stockage de l’automate est limitée à K pizzas (l’automate ne prend plus de
commande s’il ne peut plus stocker de pizzas).
La pizza en cours de fabrication étant repérée N (la variable N correspond à un compteur qui vaut 0
avant que la première pizza soit commandée), modifier la transition t01 et l’étape 1 afin de prendre
en compte le nombre de pizzas en cours de fabrication.
Remarque : Dans le cas où l’automate ne peut plus prendre de commande, un message demandant
au client de patienter est adressé au client par l’intermédiaire du menu écran. Cette fonction sort
du cadre de cette étude.
QB4 Tracer le GRAFCET «distribuer la pizza » en sachant que celle-ci est :
 immédiatement distribuée si le ticket est introduit dans l’automate avant 20 s.
 stockée en «zone de stockage des pizzas prêtes » dans le cas contraire.
QB5 Dans le cas où des pizzas auraient été stockées par l’automate, tracer le GRAFCET de
«déstockage » permettant au client de récupérer sa pizza.
C Tensiomètre SPG 300
La pression artérielle
Ce qu’on appelle couramment l’hypertension artérielle représente en réalité une pression du sang
dans les artères anormalement élevée. Par la suite, le terme de pression artérielle sera préféré à celui
de tension artérielle.
La pression artérielle varie lors de la contraction du
coeur entre deux extrêmes (figure ci-contre) :
 la première donnée, la plus haute, appelée
pression artérielle systolique (PAS) a lieu lorsque
le coeur se contracte pour expulser le sang vers
les organes via l’aorte, et vers les poumons via
les artères pulmonaires ; c’est la systole ;
 la deuxième donnée, la plus basse, appelée
pression artérielle diastolique (PAD) est mesurée lors de la phase de relaxation et de
dilatation du coeur entre deux contractions et durant laquelle le coeur se remplit de sang ;
c’est la diastole.
L'Organisation Mondiale de la Santé définit l'hypertension artérielle à une pression artérielle
systolique (PAS) supérieure à 120 mmHg1 et à une pression artérielle diastolique (PAD) supérieure
à 80 mmHg, soit « une » pression supérieure à 120/80 ou « 12/8 » comme l’annoncent généralement
les médecins.
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Méthode oscillométrique
Les composants du tensiomètre automatique au poignet SPG 300 sont décrits dans le DT1.
L’utilisation de cet appareil est très simple, les étapes sont les suivantes :
 le patient enfile l’appareil en le positionnant comme sur
la figure ci-contre ;
 un simple appui sur le bouton « Power » permet de
lancer la mesure ;
 le brassard se gonfle automatiquement grâce au
compresseur à membrane jusqu’à atteindre une pression
suffisante pour couper la circulation sanguine dans
l’artère radiale du poignet ;
 le brassard se dégonfle ensuite à vitesse constante grâce
à l’électrovanne ; pendant cette phase, l’appareil
enregistre les variations de pression dans le brassard et détermine la PAS et la PAD, à l’aide
d’un algorithme ;
 le résultat de la mesure s’affiche à l‘écran (l’appareil indique également le rythme
cardiaque) ;
 le résultat de la mesure est enregistré et un appui sur « Memory » permet d’accéder aux
résultats des 42 dernières mesures.
QC1 Compléter le diagramme FAST du tensiomètre à l’aide de DT1 et de DT2, en faisant
apparaître les fonctions techniques et les constituants manquants.
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Analyse structurelle
Une vue synoptique des chaînes d’énergie et d’information a été réalisée sur le
document réponse (QC2). Les constituants de la chaîne d’énergie sont reliés entre
eux par un lien de puissance (demi-flèche) transportant les deux informations, effort e
et flux f, dont le produit caractérise le transfert de puissance entre ces constituants.
Quand on souhaite préciser les deux grandeurs précédentes sur un lien de puissance, la
notation est montrée ci-contre.
QC2 Sur la vue synoptique du document réponse (QC2), préciser les flux et les constituants
manquants dans les zones grisées.
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D Tri postal : Code 3 parmi 5
Le tri automatique des plis postaux nécessite la
codification numérique du bureau distributeur. Le code
numérique est lu automatiquement (lecture O.C.R. :
Reconnaissance Optique de Caractères) ou par un
opérateur. Il est ensuite traduit en un code à barres qui est
matérialisé sous la forme de bâtonnets déposés sur le pli
postal. Les «1» sont codés par des bâtonnets foncés, les
«0» sont matérialisés par des bâtonnets pratiquement
transparents, ces «1» et ces «0» étant séparés par des
lignes séparatrices. Le code " 3 parmi 5 " retenu pour le
code postal comporte trois «1» et deux «0»
par chiffre codé. La lecture du code postal
se fait de droite à gauche à partir du Start
puisque les enveloppes se déplacent de
gauche à droite dans les trieuses. Les cinq
bits de chaque chiffre restent ordonnés de Code " 3 parmi 5 " utilisé par La Poste
gauche à droite.
QD1 En utilisant le codage utilisé à La Poste (ci-dessus) donner le code postal de la lettre.
QD2 Donner le nombre de combinaisons possible de chaque chiffre codé.
QD3 Donner alors le nom du codage en binaire utilisé.
QD4 Compléter la table de vérité faisant apparaître pour chaque chiffre codé N, son code
binaire N3N2N1N0 (N0 étant le LSB) et son code " 3 parmi 5 " b5b4b3b2b1.
Transcodage code " 3 parmi 5 " à binaire
On souhaite réaliser un transcodeur permettant d'exprimer le
code postal en binaire, pouvant ensuite être visualisé en
décimal, à l'aide de cinq afficheurs sept segments. On
schématise le transcodeur de la façon suivante :
QD5 Compléter le tableau de Karnaugh, dessiner les
regroupements et déterminer l’équation de N0.
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b5
b4
b3
b2
b1
Transcodeur
"3 parmi 5"
 binaire
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N3
N2
N1
N0
E Citerne à lait
La citerne étudiée est équipée de trois capteurs photoélectriques (E1, E2 et E3) qui permettent de
connaitre son niveau de remplissage. Lorsqu’un capteur reçoit de la lumière, il délivre une
information logique égale à 1. Lorsqu’il ne reçoit pas de lumière l’information logique est égale à 0.
L’unité de traitement des informations va nous permettre de :
√ Allumer un voyant VA d’alarme lorsque :
- La citerne est pleine.
- Un défaut est détecté.
√ Allumer un témoin VCV de cuve vide.
√ Actionner des pompes P1 et P2 (correspondant aux
arrivées de lait 1 et 2), dans les cas suivants :
Niveau de lait < Niveau de E2
Niveau de lait > Niveau de E2
Niveau de lait > Niveau de E1
Défaut de fonctionnement
Arrivée de lait 1
Arrivée de lait 2
Capteur E1
Info logique E1
Lumière
Capteur E2
Info logique E2
P1 et P2 en marche
P1 en marche
P1 et P2 à l’arrêt
P1 et P2 à l’arrêt
Niveau de lait
Capteur E3
Info logique E3
QE1 Dessiner la fonction traitement des informations logiques du système étudié.
QE2 Compléter la table de vérité qui permet de réaliser un traitement logique de la commande
de la citerne.
QE3 A partir de la table de vérité, déterminer les équations logiques des différentes sorties (VA,
VCV, P1 et P2).
QE4 Simplifier ces équations logiques à l’aide des propriétés de l’algèbre de Boole.
QE5 Etablir le logigramme correspondant à cette solution.
F Barrière automatique Sympact
La barrière Sympact est un dispositif de contrôle d'accès. La mise en énergie (sous tension)
s'effectue à partir de l'interrupteur-sectionneur Q2 à commande rotative. Le relais thermique F1
protège le moteur qui actionne la barrière. En mode manuel (S3 au repos), les boutons poussoirs S1
et S2 permettent de lever ou de baisser la
barrière. Les deux voyants (H1 et H2)
permettent de signaler le sens de
fonctionnement.
A l’aide de schéma électrique de la partie
commande ci-contre :
QF1 Compléter le chronogramme
correspondant au fonctionnement proposé, le
système est en énergie (Q2 = 1) et il n’y a pas
de surchauffe du moteur (F1 = 0).
S2
QF2 Etablir l'équation de commande de
marche du moteur (KM1 et KM2) en fonction
des informations associées aux constituants
d'entrée (S1, S2, S3, F1, Q2, KM1 et KM2)
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