Partie spécifique - Partie C (Questions C.1 à C.5… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole - SIN 2021

PARTIE SPÉCIFIQUE: SYSTÈMES D'INFORMATION ET NUMÉRIQUE

Protection des méduses – la zone Océan

Mise en situation

Extrêmement répandue, la méduse lune fréquente toutes les mers et les océans du globe, à l'exception des eaux très froides des régions polaires. La prolifération des méduses est un indicateur du réchauffement de la température des eaux, mais aussi de la disparition de leurs prédateurs (tortue marine, thon, poisson-lune…).

Afin de sensibiliser les visiteurs aux effets du réchauffement climatique, l'aquarium des méduses est situé à l'entrée de l'Arche des petites bêtes. Dans la première zone (zone d'alerte sur les menaces pesant sur la nature), l'idée principale est de prévenir l'Homme quant à l'urgence d'agir pour sauver la biodiversité.

Pour éviter toute mort rapide des méduses en captivité, il est essentiel de garantir certaines conditions de vie au niveau de leur aquarium:

il est conçu pour créer un flux d'eau continu;

il a des formes arrondies afin que les méduses ne puissent pas se bloquer dans les coins;

une filtration est assurée pour que les méduses ne soient pas aspirées;

la température optimale est comprise entre 18 et 22 °C.

Travail demandé – Problématique générale

Problématique: comment garantir la température de l'eau satisfaisante pour les méduses dans l'aquarium ?

Le constructeur de l'installation décide d'utiliser une sonde de température de type PT100. Cette sonde convertit une température en résistance électrique (Ω). Un montage de type Pont de Wheatstone est alors utilisé pour obtenir une image de la température sous la forme d'une tension continue qui doit être comprise entre 0V et 5V. Cette tension est ensuite convertie en signal numérique afin d'être traitée dans un régulateur Tout Ou Rien. Le signal de commande en sortie du régulateur est transmis au système de pilotage grâce à un bus de terrain de type KNX.

La précision voulue en terme de mesure de température est de 0,5°C.

Le cahier des charges impose le contrôle de la température dans le bassin toutes les secondes et qu'elle reste toujours comprise entre 18°C et 22°C.

DT S1: Sonde PT100

Les sondes de température de type platine (PRTD – Platinium Resistance Temperature Detector) sont des capteurs d'un emploi courant dans l'industrie en raison de leur grande fiabilité. Les principaux modèles rencontrés sont référencés PT100, PT500, PT1000, ce qui indique la valeur de la résistance électrique nominale à 0 °C.

Courbe caractéristique:

DT S2: Pont de Wheatstone

Montage d'un pont de Wheatstone:

Courbe caractéristique:

DT S3: Régulateur Tout Ou Rien (TOR) avec Hystérésis

Caractéristique d'un régulateur TOR à hystérésis:

Entrée du régulateur: numérique 8 bits – sortie du régulateur: numérique 8 bits

Cycle de fonctionnement:

1: La température mesurée est inférieure au seuil bas de la consigne. La commande est à 100% - le signal de commande est $FF

2: La température est en train d'augmenter, elle est comprise entre les deux seuils. La commande est à 100% - le signal de commande est $FF

3: La température mesurée est supérieure au seuil haut de la consigne. La commande est à 0% - le signal de commande est $00

4: La température est en train de baisser, elle est comprise entre les deux seuils. La commande est à 0% - le signal de commande est $00

DT S4: Bus EIB – Standard KNX

Architecture d'une installation EIB – KNX

Le circuit de puissance est alimenté en 230V ou 400V / 50 Hz. Le circuit de commande est constitué par une paire torsadée ou par une liaison radio ou infra-rouge. La transmission des données peut aussi se faire par courant porteur sur le circuit de puissance.

Chaque élément connecté au bus EIB/KNX est indépendant des autres éléments. Il est capable d'envoyer un message qui sera « entendu » par les autres éléments, mais traité uniquement par l'élément concerné.

Technique de transmission

Les données qui forment le « message » EIB/KNX sont transmises en mode série différentiel avec un débit de 9600 bits/s.

Le « 0 » logique est un signal alternatif d'amplitude 5 V, superposé au 29 V. Le « 1 » logique correspond à l'absence de signal.

Tous les participants du bus peuvent échanger des informations entre eux à l'aide de télégrammes, découpés en différents champs, du type:

· contrôle · adresse expéditeur · adresse destinataire · compteur de routage · longueur · données · sécurité

bits · 8 · 16 · 17 · 3 · 4 · 16 × 8 maxi · 8

La transmission se fait par capsules. Le format d'une capsule est:

START · Données · Parité · STOP · Pause

0 · X · X · X · X · X · X · X · X · X · 1 · 1 · 1

START (0 logique) + 8 Données (morceau de télégramme) + Parité Paire + STOP (1 logique) + PAUSE (2 × 1 logique)

Partie C: comment réguler la température de l'eau ?

Pour la suite du sujet, on considérera que le quantum du système d'acquisition est de 0,21 °C. La température de consigne est réglée à 20 °C. On rappelle que le cahier des charges impose une température comprise entre 18 °C et 22 °C.

Le DT S3 rappelle le fonctionnement d'un régulateur TOR à hystérésis:

Question C.1

Déterminer, en décimal puis en hexadécimal, les 2 valeurs des seuils à programmer dans la partie initialisation de l'algorithme pour respecter le cahier des charges.

Question C.2 & C.3

Compléter l'algorithme de programmation du régulateur TOR du document réponse DR S2 en indiquant les seuils d'initialisation et les valeurs hexadécimales de commande COM à envoyer au système de chauffe.

Question C.4

La figure suivante montre le résultat de la simulation du système piloté par le régulateur TOR. On peut voir l'évolution de la température en fonction du temps:

Conclure sur la capacité du système de régulation à respecter le cahier des charges, compte tenu de la précision attendue.

Question C.5

En vue de l'amélioration de la qualité de vie des méduses, on souhaite diminuer les variations de température au sein de l'aquarium. Le nouvel écart voulu est de 2 °C autour des 20 °C de consigne.

Proposer une modification dans le système de régulation qui permettrait de réduire l'écart de température.