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BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5

BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 1/17 2CEPLME1 La calculatrice (conforme à la circulaire N°99-186 du 16-11-99) est autorisée 4 documents-réponses sont à rendre avec la copie Le sujet comporte 17 pages. L'épreuve est constituée de deux parties distinctes MESURE ET REGULATION sur 13 points - pages 2 à 8 - Documents-réponses n° 1, 2 et 3 (pages 14, 15, 16) AUTOMATISME sur 7 points - pages 9 à 13 - Document-réponse n° 4 (pages 17) LES DEUX PARTIES SONT INDEPENDANTES ET PEUVENT ETRE TRAITES DANS UN ORDRE QUELCONQUE. BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 2/17 2CEPLME1 PRESENTATION Le procédé à étudier en mesure et régulation et en automatisme est implanté au sein d’une entreprise de produits pharmaceutiques. Cette unité fabrique des formes liquides (sirops conditionnés en flacons). Sa production est obtenue par lot (Batch) de 10 000 flacons de 300ml chacun. L’unité est divisée en trois zones : (voir schéma document réponse 1) Zone matières premières liquides Dans cette zone, l’étude ne portera que sur une seule matière première, (un seul réservoir tampon). Le niveau de liquide dans ce réservoir doit être maintenu constant (hauteur h). Zone de fabrication Elle est composée d’une cuve de fabrication à double paroi dans laquelle on mélange et on chauffe la matière première et le principe actif (Expectorant). Le principe utilisé pour le chauffage est basé sur l’échange calorifique entre la double enveloppe et le contenant. Dans la double enveloppe circule de la vapeur à 120°C et à 2 bars. Zone de conditionnement Le sirop obtenu dans la cuve de fabrication est mis en flacons. Les flacons sont conditionnés selon la demande des clients, dans des petits, moyens ou grands cartons. La première partie (mesure et régulation) portera sur les zones matière première liquide et sur la zone de fabrication. La deuxième partie (automatisme) portera sur la zone de conditionnement. PREMIERE PARTIE : MESURE ET REGULATION Zone Matière première 1. Mesure de niveau dans le réservoir tampon La mesure du niveau h de matière première est réalisée par un capteur-transmetteur de pression LT1. 1.1 Il existe des capteurs-transmetteurs de pression relative, absolue et différentielle. Sachant qu'au dessus du liquide se trouve un gaz non condensable maintenu à une pression P0 constante (par un procédé non représenté ici), quel type de capteur-transmetteur doit-on utiliser ici ? Justifier la réponse. 1.2 Donner l'expression de la pression mesurée en fonction du niveau h. 1.3 En excluant les capteurs de pression, citer deux autres principes de mesure de niveau BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 3/17 2CEPLME1 2. Contrôle du débit de matière première La vanne LV1 est une vanne de régulation avec positionneur électro-pneumatique. 2.1. En vous aidant de la photo de cette vanne (figure n°1) indiquer le nom et la fonction des éléments numérotés 3, 4 et 5. 2.2 Pour choisir cette vanne, il a fallu déterminer sa caractéristique principale : le CV. Expliquer brièvement la signification de cette caractéristique. 3 Régulation de niveau dans le réservoir tampon 3.1 Déterminer les différentes grandeurs fonctionnelles (grandeur réglée, grandeur réglante et la principale grandeur perturbatrice). 3.2 Indiquer le nom et la fonction des appareils numérotés 1 et 2 sur le document réponse 1. 3.3 Déterminer et justifier le sens d’action du régulateur. La vanne LV1 est fermée par manque d'air (normalement fermée, signal ouvre). Le capteur-transmetteur LT1 fournit au régulateur un signal de mesure directement proportionnel au niveau h. 4 3 5 FIGURE N°1 BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 4/17 2CEPLME1 Zone de fabrication 4. Régulation de température de la cuve à double enveloppe Le sirop dans la cuve doit être maintenu à une température de 90°C. On donne le schéma fonctionnel du procédé étudié : T s1 T pa Q s2 Cuve à double paroi Q vapeur 4.1. Schéma d'instrumentation (TI) : Dessiner le schéma d’instrumentation (TI) de la boucle de régulation de température (document réponse n° 1 ), sachant que l'on dispose des appareils ci- dessous : Une sonde de température type PT100 (montage 3 fils) Un transmetteur de température analogique Entrée : PT100 (3 fils) ; sortie : 4 - 20mA (réglage possible du 0 et de la pleine échelle). Un régulateur numérique Entrée mesure analogique (M) : 4 - 20mA ; sortie analogique (Yr) : 4 - 20mA Une vanne TV2 avec positionneur électro-pneumatique (commande en 4-20 mA). 4.2. Schéma de raccordement électrique : On désire enregistrer l’évolution de la mesure (Tcuve ) et la valeur du signal (Yr) de pilotage de la vanne TV2, en fonction du temps. On utilise un enregistreur à 2 voies. Caractéristique de la voie 1 : entrée 4 - 20mA Caractéristique de la voie 2 : entrée 4 - 20mA Compléter le schéma de raccordement électrique(document réponse n°2) permettant de mesurer M sur la voie 1 de l’enregistreur et Yr sur la voie 2 de l’enregistreur : on précisera les polarités et on ajoutera les fils nécessaires. 5. Comportement du procédé en boucle ouverte. 5.1. Décrire le protocole expérimental permettant de vérifier que ce procédé est naturellement STABLE. Le régulateur doit il être en automatique ou en manuel ? T cuve T s1 : température de la matière première en sortie de réservoir. T pa : température du principe actif BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 5/17 2CEPLME1 5.2. Après avoir effectué cet essai, on constate que M=f(t) peut être approximé par la réponse à un échelon d'un système du premier ordre avec retard pur. Tracer l’allure de M = f(t) sachant que : le gain statique Gs = M /Yr =1 ; le retard = 8min et la constante de temps = 20min . Faire apparaître ces différents paramètres sur le graphique.(document réponse n°3) On précise que pour 63% de M on obtient environ . 6. Essais du système en boucle fermée 6.1. Essai n°1: On utilise les paramètres réglés par le constructeur du régulateur : Kp = 20 ;Ti=99,99min ;Td = 0s Pour vérifier le bien fondé de ces réglages , on stabilise le système autour d’un point de fonctionnement ; puis on place le régulateur en automatique. A l’instant t = 5min, on applique une variation en échelon de consigne de +10%. Résultats obtenus : t (min) 50 55 60 65 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 M W % Faire l’analyse critique de ce résultat. BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 6/17 2CEPLME1 6.2. Essai n°2 : On conserve les paramètres Ti = 99,99min et Td = 0s. On effectue 3 enregistrements avec 3 valeurs différentes de gain, respectivement Kp1 pour la courbe 1, Kp2 pour la courbe 2 et Kp3 pour la courbe 3. Le protocole expérimental reste inchangé par rapport au 1er essai. Résultats obtenus : t (min) % 50 55 60 65 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 w M Courbe 1 Courbe 2 Courbe 3 a) Calculer les écarts statiques 1 pour la courbe 1, 2 pour la courbe2 et 3 pour la courbe 3. b) Comment a évolué le gain Kp pour les courbes 1, 2 et 3 ? BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE Coeff : 5 Session 2002 Durée : 3 heures Option : Contrôle et Régulation PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCEDES INDUSTRIELS EPREUVE : CONTROLE et REGULATION Partie Théorique NORMAL Ce sujet comporte 17 pages Page 7/17 2CEPLME1 6.3. Essai n°3 : On effectue une recherche des actions en utilisant la fonction autoréglage du régulateur. Pour vérifier le bien fondé de ces réglages, on stabilise le système autour d’un point de fonctionnement, puis on place le régulateur en automatique. A l’instant t = 5min, on applique une variation en échelon de consigne de +10%. Résultats obtenus : t (min) uploads/Industriel/ regulation-2002.pdf