Examen de Productique Automatisée

DESS MASI 2/2/98

Durée 3h, documents autorisés

Nous allons étudier aujourd'hui une centrale d'enrobage à cycle discontinu. Les documents proviennent du sujet de première partie d'agrégation interne de génie mécanique (1994).

Présentation générale

L'objectif d'une centrale d'enrobage est de produire, à partir de divers matériaux, un béton bitumeux (appelé "enrobé") qui sera transporté à chaud vers le chantier d'épandage, pour former la couche supérieure du revêtement des infrastructures routières. Les composants de l'enrobé sont des granulats (graviers et sables), de "filler" (additifs minéraux finement concassés appelés aussi "fines"), et de bitume. Les proportions des constituants d'un enrobé donné constituent sa "formule".

Selon les spécifications des clients, la centrale doit pouvoir fournir diverses formules définies rigoureusement, et éventuellement contrôlées par les services des Ponts et Chaussées. Habituellement, 200 formules sont mémorisés. On peut trouver des centrales fixes (comme celle traitée ici) mais aussi des centrales mobiles, amenées sur le lieu même du chantier. Ces centrales fonctionnent en cycle continu ou non, à tambour sécheur ou non, et peuvent atteindre une productivité de 100 à 400 tonnes par heure.

Nous allons nous limiter ici au cas d'une centrale discontinue, où la production se fait par "gâchées" successives de une à quatre tonnes chacune, avec un temps de cycle de l'ordre d'une minute par gâchée. L'annexe 1 donne une vue générale de la centrale.

Processus de fabrication

Prédosage

Les graviers et le sable sont chargés dans les trémies des prédoseurs. Le prédosage consiste à soutirer chaque granulat, en proportion conforme à la formule en cours de fabrication. Dans chaque trémie, le soutirage est réalisé par un tapis extracteur. Le dosage est volumique pour le gravier. Pour le sable, dont le débit est moins régulier, on associe une jauge de poids dont le signal (traité par le système de commande) permet un ajustement de la vitesse du tapis (en fonction également du taux d'humidité, très variable suivant la provenance et le stockage des sables).

Séchage

Les tapis doseurs se déversent sur un tapis collecteur qui apporte les granulats à l'entrée du tambour sécheur rotatif, qui est destiné à évacuer l'humidité et à porter les granulats à une température d'environ 150 °C, compatible au mélange avec le bitume. La chaleur est apportée par un brûleur fonctionnant à contre courant. Les gaz de combustion sont aspirés par un exhausteur, en direction d'une cheminée, qu'ils atteignent après passage dans un dépoussiéreur composé de cellules à panneaux textiles. Les particules récupérées sont recyclées et seront incorporées aux "fines".

Enrobage

A la sortie du sécheur, les granulats secs sont emportés, par un élévateur à godets, au sommet de la tour d'enrobage. C'est dans cette tour que se déroulent les cycles de dosage et malaxage des composants (granulats, fines et bitume) conformément à la "formule".

La tour d'enrobage comprend (voir annexe 2):

• un crible (tamis) qui permet le reclassement éventuel des granulats secs et chauds (fin, moyen, gros ou refusé) dans des trémies. On peut aussi dans certains cas contourner le crible pour envoyer le tout dans une seule trémie (tout venant), le dosage effectué par les prédoseurs étant considéré comme suffisant.
• une bascule de pesage des agrégats, qui effectue le pesage des agrégats issus de chaque trémie. C'est en fonction de ces mesures, en prenant également en compte l'effet d'après-coulant (par l'intermédiaire d'une formule corrective) que le système de commande pilotera l'ouverture et la fermeture des casques sous trémies afin de respecter la formule.
• une bascule de pesée des fines, qui est amené du silo à filler par l'intermédiaire d'une vis d'Archimède.
• une bascule de pesée du bitume, lequel circule en continu entre la tour et les citernes de stockage, à l'intérieur de canalisations à double enveloppe chauffées à l'huile chaude. Une vanne permet l'admission du bitume dans la bascule au débit de 20kg/s.
• un malaxeur dans lequel dont déversés les composants et qui réalise la gâchée, pendant un temps dépendant de la formule et de la quantité de produit.
• un skip, dans lequel se déverse le produit malaxé. Ce skip est mû par un treuil, et va se déverser au dessus de l'une des trémies de stockage avant livraison. Sous ces trémies calorifugées se trouvent les quais de chargement, comportant chacun une balance de pesée de camions.

Question 1 :

Quelle(s) technologie(s) pourrait on choisir pour la partie commande (câblage, séquenceurs, automates, ordinateur, cartes micro-programmées...) ? Justifiez vos choix, faites toutes les hypothèses (plausibles) qui vous semblent utiles.

Dans la suite du sujet, nous allons étudier la partie discontinue du processus. La partie continue quand à elle concerne, pour les agrégats, le prédosage, le séchage, l'élévateur à godets et le crible; ainsi que le chauffage et la circulation continue pour le bitume.

Le temps de cycle est directement fonction de la formule et du tonnage de la gâchée. Une table de correspondance donne pour chaque formule et pour un tonage donné les temps des différentes opérations (pesages, vidanges, malaxage, transport).

Soient deux formules, notées A et B :

Les temps opératoires, pour une gâchée de trois tonnes, sont de :

Le cycle de production de ces deux formules est détaillé dans l'annexe 3 à l'aide d'un diagramme de GANTT. Le processus d'enrobage a été décomposé en 10 phases.

Question 2 :

Faites le Grafcet global du processus d'enrobage. Je désire un Grafcet en un seul bloc, ayant pour actions les 10 phases de l'annexe 3. On suppose que la partie continue (non traitée ici, je l'ai déjà dit) fonctionne correctement et donc amène les composants de manière satisfaisante (on pourra néanmoins vérifier leur disponibilité). On suppose que toutes les variables correspondant à la formule choisie (poids et durées) on été préalablement initialisées par un système que nous n'étudions pas ici. La production de gâchées se produira sans interruption tant que le capteur "production" est actionné (s'il n'est plus actionné, la gâchée en cours se termine). On ne gérera que le fonctionnement normal (ne pas s'occuper des arrêts d'urgence, reprises de cycles, modes semi-automatiques,... qui devraient être pris en compte dans la réalité).

Question 3 :

Une autre solution, pour traiter exactement le même cas que la question précédente, consiste à décomposer le processus du point de vue produit. On obtient dans ce cas 5 regroupements :

• pesée des agrégats puis vidange dans le malaxeur
• pesée du filler puis vidange dans le malaxeur
• pesée du bitume puis injection
• malaxage sec, puis humide, puis déchargement de l'enrobé
• transport de l'enrobé par le skip dans les trémies de stockage.

Vous allez décomposer le processus (mêmes actions qu'en question 2) en 5 Grafcets, synchronisés entre eux (utilisation de la notation Xi pour vérifier si l'étape i est active).

Question 4 :

Quels sont d'après vous les avantages et inconvénients respectifs des deux approches utilisées dans les questions 2 et 3 ?

Question 5 :

La phase de pesage des agrégats doit en réalité être décomposée en trois (ou moins) pesées successives. Le Grafcet correspondant au cas de trois composants est donné en annexe 4.

a) modifier ce Grafcet pour qu'il prenne en compte les cas où l'on n'utilise qu'un ou deux composants. Il est interdit de rajouter d'étape. On peut rajouter des transitions.

b) donner un programme en C mettant en oeuvre le Grafcet que vous venez de réaliser.

Barème envisagé (aussi peu sûr qu'une prévision météorologique) : Q1:2 - Q2:7 - Q3:7 - Q4:1 - Q5a:1 - Q5b:2

ANNEXES

Crédits : les documents sont extraits du sujet d'agrégation de Génie Mécanique session 1995, dont le rapport est publié par le CDNP.

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Patrick TRAU, ULP - IPST 1/2/98