BACCALAUREAT GENERAL Session Juin 2005 Série S Sciences de l’ingénieur Ascenseur sans local de machine PRESENTATION DE L’ÉTUDE durée conseillée : 30 min pour la lecture des pages PREMIERE PARTIE : ANALYSE FONCTIONNELLE durée conseillée : ? minutes 17 points 1 SOMMAIRE DEUXIEME PARTIE : ÉTUDE DE LA PRÉCISION DE POSITIONNEMENT durée conseillée : ? minutes 37 points 2 TROISIEME PARTIE : ÉTUDE DE LA SÛRETÉ durée conseillée : ? minutes 26 points 3 QUATRIEME PARTIE : SYNTHÈSE DE L’ÉTUDE GLOBALE durée conseillée : ? minutes 6 points maximum de bonus 4

PRÉSENTATION DU SYSTÈME Sans local de machine PRÉSENTATION DU SYSTÈME Avec 100 millions d’utilisateurs transportés par jour, l’ascenseur occupe à ce titre le rang de premier moyen de transport collectif en France. Pour ce faire, chaque machine parcourt en moyenne 3 000 kilomètres par an, sous la libre utilisation de ses usagers. Avec un volume de marché annuel de 9 400 ascenseurs et un parc de 430 000 machines en usage, l’ascenseur est un produit industriel de grande série. Dans ce contexte, l’évolution du produit s’est développée selon deux impulsions majeures : la dimension technique, la dimension légale. ASCENSEUR L’évolution technique intègre des efforts en matière de coût, d’architecture des bâtiments, d’usage. La dimension légale intervient en terme de sécurité, de maintenance et d’accès aux personnes handicapées. La présente étude se propose d’analyser les solutions et les principes de solutions techniques mis en œuvre sur un ascenseur sans local de machine afin de garantir aux usagers la précision d’accès aux étages et un haut niveau de sécurité.

Aux personnes utilisatrices Expression du besoin A qui rend-il service ? Sur quoi agit-il ? Aux personnes utilisatrices Sur leur emplacement Dans cette action, la sécurité des personnes transportées et la facilité d’accès constitue un souci prioritaire, préalable à celui de la fiabilité, de la rapidité et du confort. ASCENSEUR Déplacer les personnes depuis un niveau d’accueil jusqu’à un autre niveau choisi

Énonciation des contraintes Assurer la protection contre les dérèglements de la vitesse de la machine Sécurité C2 C3 Prévenir des risques de chute et d’écrasement de la cabine ASCENSEUR C1 Permettre l’accès sans danger des personnes à la cabine Mettre à la disposition des utilisateurs des moyens d’alerte et de communication avec un service d’intervention C4 Utilisateur

L’information est transmise par un bus CAN de terrain Question 1A. Après un appel effectué par un utilisateur sur le panneau de commande d’un étage... 1 4 Préciser comment cette information va être transmise à la carte centrale… Le paragraphe 1.3.1 « Description succincte du système », nous apprend : « Le coffret de manœuvre (MCI) qui incluse, une carte électronique de commande à microprocesseur (carte centrale) et un modem, est chargé de : traiter les demandes des utilisateurs saisies sur les panneaux de commande situés aux étages ou en cabine, via un bus CAN de terrain ; traiter les informations des capteurs de sécurité ; envoyer des ordres au coffret variateur ; informer les utilisateurs par affichage aux étages et en cabine via le bus ; communiquer avec un centre de téléalarme via un modem.» 1 La carte centrale est la carte électronique de commande à microprocesseur L’information est transmise par un bus CAN de terrain 1

Question 1A. Après un appel effectué par un utilisateur sur le panneau de commande d’un étage... Donner le nom du composant principal qui assure la fonction « Traiter »… Le paragraphe 1.3.1 « Description succincte du système », nous apprend : « Le coffret de manœuvre (MCI) qui incluse, une carte électronique de commande à microprocesseur (carte centrale) et un modem, est chargé de : traiter les demandes des utilisateurs saisies sur les panneaux de commande situés aux étages ou en cabine, via un bus CAN de terrain ; traiter les informations des capteurs de sécurité ; envoyer des ordres au coffret variateur ; informer les utilisateurs par affichage aux étages et en cabine via le bus ; communiquer avec un centre de téléalarme via un modem.» Le composant principal de la carte centrale qui assure la fonction « Traiter » est le microprocesseur 1

Question 1A. Après un appel effectué par un utilisateur sur le panneau de commande d’un étage... Préciser les types de signaux véhiculant les ordres à destination du variateur… Le paragraphe 1.3.1 « Description succincte du système », nous apprend : « Les ordres de mise en mouvement, reçus par le variateur de la carte centrale, différent selon les versions d’ascenseur. Ces ordres sont : soit « de type logique », alors la carte centrale traite les informations de position de la cabine issues des capteurs de position ; soit « de type numérique » véhiculés par le bus CAN, alors le variateur gère intégralement le mouvement de la cabine. » 1 Les types de signaux véhiculant les ordres de la carte centrale vers le variateur dépendent de la version d’ascenseur... Logique ou Numérique

1 Question 1B. Définir le type des énergies aux points [2] et [3]... Acquérir Traiter CHAÎNE D’INFORMATION Alimenter Distribuer Convertir Transmettre ORDRES ACTION CHAÎNE D’ÉNERGIE Fonctions génériques présentes dans un système pluritechnique Informations d’Entrées Informations de Sorties Énergies d’Entrées Grandeurs physiques à acquérir Déplacer Communiquer 3 Énergie mécanique de translation 2 Énergie mécanique de rotation moteur Poulies - Câbles 2 3

Question 1C. Proposer un schéma cinématique intégrant la gaine et ses rails de guidage, la cabine, un contrepoids, une poulie et un câble... 1

Question 1D. Afin de caractériser l’énergie sortant du variateur au point [1]... 5 Calculer la fréquence de rotation du moteur lorsque V = Vn… Vn = ωn.R Ø = 280 mm d’où R = 140 mm 1 Vn = 1 m/s

Question 1D. Afin de caractériser l’énergie sortant du variateur au point [1]... Déduire la fréquence de l’alimentation électrique du moteur… Avec : N la vitesse du moteur en tr/s, f la fréquence de l’alimentation, p le nombre de paire de pôles Le moteur possède 4 paires de pôles, et : 2 d’où

Question 1D. Afin de caractériser l’énergie sortant du variateur au point [1]... Préciser l’évolution de la fréquence de l’alimentation lors du déplacement de la cabine d’une étage à l’autre… 1 V = 0 m/s N = 0 tr/s f = 0 Hz Vn = 1 m/s N = 1,136 tr/s f = 4,544 Hz V = 0 m/s N = 0 tr/s f = 0 Hz

Question 1D. Afin de caractériser l’énergie sortant du variateur au point [1]... Conclure quant au rôle du variateur… Le variateur délivre une tension triphasée de fréquence variable permettant de faire varier la vitesse de rotation du moteur 1

Permettre l’accès sans danger des personnes à la cabine Situation d’étude 2 Comment amener, au niveau appelé, la cabine avec une précision de position donnée ? L’objet de cette étude est d’analyser deux solutions technologiques de positionnement de la cabine mises en œuvre par le constructeur dans le respect des normes et permettre leur comparaison… 1 Première solution... Utilisation d’écrans dans la gaine. 2 Deuxième solution... C1 Utilisation du codeur de position. Permettre l’accès sans danger des personnes à la cabine

Écran ralentissement descente Situation d’étude 2 Comment amener, au niveau appelé, la cabine avec une précision de position donnée ? Utilisation d’écrans dans la gaine. Chaque niveau possède 3 plaques ou écrans positionnés le long du rail. 1 Première solution Écran ralentissement descente Écran d’arrêt Écran ralentissement descente Capteurs SEL et ISD

Situation d’étude 2 Comment amener, au niveau appelé, la cabine avec une précision de position donnée ? Utilisation d’écrans dans la gaine. Acquisition des informations SEL et ISD 1 SP2 Exploitation des informations SEL et ISD Première solution Envoi des ordres GV, PV, M et D Connexion du moteur par SP1 et SP2 SP1 Envoi d’une énergie au moteur FR Déblocage des freins si le couple moteur est suffisant Prise en compte de la loi d’évolution de la vitesse

Situation d’étude 2 Comment amener, au niveau appelé, la cabine avec une précision de position donnée ? Signaux de commande correspondant à un déplacement vers le haut de la cabine. 1 Première solution Écran d’arrêt Écran ralentissement descente Écran ralentissement montée SEL ISD Cabine Écran ralentissement montée SEL ISD Cabine Écran d’arrêt Écran d’arrêt ISD 1 M GV PV t SEL ISD Cabine Écran ralentissement descente SEL ISD Cabine SEL ISD Cabine SEL ISD Cabine Écran d’arrêt

Question 2A. Compléter l’algorithme à partir de l’analyse des chronogrammes... 6 ISD Répéter Jusqu’à (ISD=0) 1 Début t M M=1 GV=1 1 Pseudo-codes t Répéter Jusqu’à (ISD=0) GV 1 t PV Structure répétitive : C’est une boucle d’attente 1 Début t Début M=1 GV=1 PV=0 Autre possibilité à préférer... Répéter Lire ISD Jusqu’à (ISD=0)

Question 2A. Compléter l’algorithme à partir de l’analyse des chronogrammes... Début M=1 GV=1 Répéter Jusqu’à (ISD=0) 6 Écran d’arrêt Écran ralentissement descente Écran ralentissement montée ISD 1 t M GV PV Répéter Jusqu’à (ISD=1) 2 Répéter Jusqu’à (ISD=0) 3 Répéter Jusqu’à (ISD=1) 4 Répéter Jusqu’à (ISD=0) 5 M=1 GV=0 PV=1 Répéter Jusqu’à (ISD=1) 6 M=0 GV=0 PV=0 7 Fin

Question 2B. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... Caractériser la nature des mouvements dans les phases 1, 2, 3 et 4. Phase 1 - 3 - 4 : évolution linéaire de la vitesse en fonction du temps C’est un mouvement rectiligne uniformément varié. Vitesse : 1 m/s SEL ISD Cabine Écran d’arrêt Vitesse : 0,05 m/s Positionnement idéal de la cabine à l’arrêt lorsque les capteurs ISD et SEL sont situés symétriquement par rapport à l’axe de l’écran d’arrêt. 1 seconde / division Phase 2 : vitesse constante en fonction du temps C’est un mouvement rectiligne uniforme.

Question 2B. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... Déterminer la valeur de l’accélération lors de la phase 3. RAPPEL… Vitesse : 1 m/s Vitesse : 0,05 m/s 1 seconde / division

Question 2B. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... Déterminer la valeur de l’accélération lors de la phase 3. t1 Vitesse : 1 m/s On fait un changement de repère... A t0 = 0 v0 = 0 m/s A t1 = 2,3 s v1 = -(1-0,05) = -0,95 m/s v1 Vitesse : 0,05 m/s 1 seconde / division

Écran ralentissement montée Question 2B. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... 2 Calculer la distance entre l’écran de ralentissement et l’écran d’arrêt. Écran d’arrêt SEL ISD Cabine Zr v1 Vitesse : 0,05 m/s Zr Écran ralentissement montée 1 seconde / division On considère que la détection de l’écran d’arrêt est effective quand l’axe du capteur ISD coïncide avec le bord de l’écran

Question 2B. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... Calculer la distance entre l’écran de ralentissement et l’écran d’arrêt. x0 = 0 m v1 Vitesse : 0,05 m/s v0 = 1 m/s a0 = -0,413 m/s2 t = 2,3 s 1 seconde / division La distance Zr entre l’écran de ralentissement et l’écran d’arrêt est de 1,2076 m

Écran ralentissement montée Question 2C. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... 2 Calculer la distance restant à parcourir entre la détection de l’écran d’arrêt par le capteur ISD et l’arrêt effectif. 115 mm 150 mm Début de la phase 4 Écran d’arrêt SEL ISD Cabine Zr v1 Zr Vitesse : 0,05 m/s Écran ralentissement montée 115 mm 150 mm 1 seconde / division Déplacement Fin de la phase 4

Question 2C. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... En déduire la valeur de l’accélération. Phase 4 : évolution linéaire de la vitesse en fonction du temps C’est un mouvement rectiligne uniformément varié. v0 = 0,05 m/s t1 = 0,8 s t1 v1 = 0 m/s Vitesse : 0,05 m/s 1 seconde / division L’accélération est de -0,0714 m.s-2

La cohérence est vérifiée Question 2C. Afin de déterminer la position de l’écran de ralentissement... 2 Vérifier la cohérence... x0 = 0 m v0 = 0,05 m/s t = 0,7 s x1 = -0,0175 m La cohérence est vérifiée

Question 2D. Expliquer l’influence d’un mauvais positionnement de l’écran de ralentissement... Sur la précision de l’arrêt... Le profil de vitesse étant défini par programmation dans le module « Variateur de vitesse », un mauvais positionnement de l’écran de ralentissement provoquera un arrêt de la cabine dans une position incorrecte, trop tôt ou trop tard.

Question 2E. Expliquer l’avantage apporté par ce profil de vitesse... Pour les personnes transportées... De brusques variations d’accélérations provoquent un inconfort pour la personne transportée

Situation d’étude 2 Comment amener, au niveau appelé, la cabine avec une précision de position donnée ? Utilisation du codeur de position. Pour valider cette solution de positionnement, il faut aborder les étapes suivantes : 2 - Une vérification de l’allongement des câbles de traction, Deuxième solution - Un calcul d l’incertitude de position due au codeur. Poulie motrice Diamètre Dp=280 mm Câble de traction - sections S = 46,7 mm2 - module élasticité E = 110 000 MPa l0 Cabine - masse MP=740 Kg - masse admissible MQ=630 Kg

Question 2F. Préciser et expliquer à quel niveau se trouve la cabine lorsque l’allongement du câble est maximal... 2 La cabine se trouve en position basse lorsque l’allongement du câble est maximal. En effet, l’allongement est proportionnel à la longueur de l’élément sollicité. 1 à 26 mètres Dans cette situation, l0 = 26 m.

La variation d’allongement des câbles est de 3,9 mm Question 2F. Calculer la variation d’allongement des câbles... 2 Dans la situation précédente, l0 = 26 m. La répartition des efforts est égale entre les huit câbles. La variation d’allongement des câbles est de 3,9 mm 0 personne : la charge totale est MP = 740 Kg 8 personnes : la charge totale est MP+MQ = 740+630 = 1370 Kg F : effort de traction (N) S : section de la poutre (mm2) E : module d’élasticité (MPa) (1MPa=1N/mm2) l0 : longueur initiale de la poutre non chargée (mm)  : allongement (mm) Pour 0 personne : Δ = 3,9 mm Pour 8 personnes :

Question 2G. Calculer l’incertitude (en mm) sur la position de la cabine due au codeur... 3 3 La résolution du codeur de position est de 4096 points / tour.  4096 points Hypothèse les points sont placés sur la périphérie de la poulie 4096 points correspondent à 4096 intervalles L’incertitude sur la position de la cabine due au codeur est de 0,215 mm R = 140 mm 2π rad 4096 intervalles X rad 1 intervalle ΔL =  x R ΔL =  x R soit ΔL = 0,001534 x 140 = 0,215 mm

La variation d’allongement des câbles est de 3,9 mm au maximum Question 2H. Conclure au regard de la contrainte C1... 2 3 3 C1 Permettre l’accès sans danger des personnes à la cabine La norme européenne EN81-70 définit les conditions d’accessibilité aux ascenseurs pour les personnes avec handicap, telle que la précision d’arrêt de la cabine doit être de ± 10 mm. La contrainte C1 est satisfaite car la précision d’arrêt obtenue de 4,115 mm est inférieure à la norme qui est de ± 10 mm La variation d’allongement des câbles est de 3,9 mm au maximum L’incertitude sur la position de la cabine due au codeur est de 0,215 mm Soit un écart maximum de 3,9 mm + 0,215 mm 4,115 mm

2 Question 2I. Afin de caractériser les trames sur le bus CAN... 4 Lors de la demande d’appel venant de l’étage 2 dans le but d’atteindre un niveau supérieur, quelles sont les valeurs de l’identificateur et du premier mot de données de la trame générée par la carte palière ? On s’intéresse aux trames d’information sur le bus CAN entre la carte centrale et le variateur Au départ, la cabine est à l’étage 1.

Communication avec le bus CAN Le bus CAN est un réseau de terrain de type multi-maître dont le débit maximum est de 1 Mbit/s. Centre de téléalarme Commande palière Commande palière ▲▼8 Signalisation palière Signalisation palière RUN ▲▼ ▲▼  Coffret de manœuvre MCI ▲▼8 ▲▼8 Variateur de vitesse Modem Carte palière étage 1 Carte palière étage 2 Carte cabine Carte centrale Bus CAN Bus CAN Bus CAN Bus CAN

Communication avec le bus CAN Mot d’état (donnée) du variateur Organisation des trames de données 2 octets 1 010 0000 0010 0110 0000 1111 0011 0001 ... .... 11111111111 1 RUN Bus au repos Identificateur 11 bits bit de poids fort en tête Champ de données bit de poids fort en tête Fin de trame Bus au repos DLC CRC Variateur de vitesse 000 Identificateur attribué aux informations en provenance du variateur Bus CAN Le procédé d’attribution du bus est basé sur le principe de l’arbitrage bit à bit, selon lequel les noeuds (ou stations) en compétition, émettant simultanément sur le bus, comparent bit à bit l’identificateur de leur message avec celui des messages concurrents : les stations sont câblées sur le bus par le principe du « ET câblé », et en cas de conflit, c’est à dire d’émission simultanée, la valeur 0 écrase la valeur 1.

Communication avec le bus CAN Mot d’état (donnée) en provenance du variateur Organisation des trames de données 0000 1111 0011 0001 ... Représente le sens déplacement de l’ascenseur représentent le numéro de l’étage dans lequel se situe la cabine 213 0 si montée 1 si descente V a r i a t e u r Mot de commande (donnée) du variateur Bits 12 à 15 Bit 11 Bits 8 à 10 Bits 5 à 7 Bit 4 Bits 0 à 3 182 h 1 1 1 Étage demandé codé en binaire Ordre de marche Effectuer une prise de référence Identificateur attribué aux informations à destination du variateur

Communication avec le bus CAN Organisation des trames de données Numéro de l’étage actuel. C o m m a n d e s p a l i è r e s Mot de sens de déplacement (donnée) des commandes palières 0001 h si appui sur le bouton poussoir MONTÉE. ( 210 + N ) h 0002 h si appui sur le bouton poussoir DESCENTE. Identificateur attribué aux informations en provenance des commandes palières

2 Question 2I. Afin de caractériser les trames sur le bus CAN... 2 Lors de la demande d’appel venant de l’étage 2 dans le but d’atteindre un niveau supérieur, quelles sont les valeurs de l’identificateur et du premier mot de données de la trame générée par la carte palière ?. Numéro de l’étage actuel. Mot de sens de déplacement (donnée) des commandes palières 2 0001 h si appui sur le bouton poussoir MONTÉE. ( 210 + N ) h 0002 h si appui sur le bouton poussoir DESCENTE. Identificateur attribué aux informations en provenance des commandes palières MONTÉE Identificateur : ( 210 + 2 ) h soit 212 h 2 Donnée : 0001 h La valeur de l’identificateur est 212 h. La valeur de la donnée est 0001 h.

2 Question 2I. Afin de caractériser les trames sur le bus CAN... 2 Quelles sont les valeurs de l’identificateur et du premier mot de données de la trame générée par la carte centrale à destination du variateur ? 2 Mot de commande (donnée) du variateur Bits 12 à 15 Bit 11 Bits 8 à 10 Bits 5 à 7 Bit 4 Bits 0 à 3 182 h 1 1 1 Étage demandé codé en binaire Ordre de marche Effectuer une prise de référence Identificateur attribué aux informations à destination du variateur Effectuer une prise de référence NON Ordre de marche OUI Étage demandé 3 La valeur de l’identificateur est 182 h La valeur de la donnée est 08E3 h 0000 1 000 111 0 0011 0 8 E 3 h

Comment est assurée la sécurité en cas de fonctionnement dégradé ? Situation d’étude 3 Comment est assurée la sécurité en cas de fonctionnement dégradé ? L’objet de cette étude est d’analyser les solutions technologiques mises en œuvre... Pour détecter une survitesse éventuelle de la cabine (contrainte C2), Pour freiner la cabine lors de cette survitesse puis la maintenir à l’arrêt (contrainte C3), Pour signaler cet état aux services de téléalarme (contrainte C4).

3 Question 3E. En analysant le circuit de sécurité... 2 4 Expliquer les conséquences de cette information sur l’alimentation des pré-actionneurs du moteur. Le schéma bloc montre qu’une information est transmise vers la partie commande lorsqu’une survitesse est détectée... Vers circuit électrique de sécurité Limiteur de survitesse ACQUÉRIR Limiteur de survitesse 2 Absence d’alimentation Lorsqu’une survitesse cabine est détectée, le capteur de survitesse s’ouvre et les pré-actionneurs ne sont plus alimentés.

Question 3E. Rôle du capteur de « SURVITESSE CABINE » dans le circuit électrique de sécurité... En analysant le circuit de sécurité, préciser à cet effet les éléments mis en jeu. KS - SCM - SF fermés 2 Les éléments mis en jeu... SP1 et SP2 ne sont plus alimentés Le moteur n’est plus alimenté FR n’est plus alimenté Le frein à manque de courant agit

Le temps de réponse de l’interface est d’environ 10 ms Question 3F. Indication de l’état de survitesse... 3 4 Afin d’analyser les signaux du circuit de sécurité, compléter le document réponse DR2... 2 Interfaces d’entrée Le temps de réponse de l’interface est d’environ 10 ms 10 ms

3 Question 3F. Indication de l’état de survitesse... 2 Préciser les états de ES1, ES2 et ES3... 2 ES1 = 1 ES2 = 1 ES3 = 1

Synthèse liée à la compréhension globale Situation d’étude 4 Synthèse liée à la compréhension globale Question 4. Rédiger en quelques lignes... 6 Les avantages de chacune de ces deux solutions technologiques de positionnement... 1 Première solution... 3 Utilisation d’écrans dans la gaine. Permet un positionnement précis si les écrans sont placés correctement. La communication avec le système de commande est simplifiée : les signaux sont logiques L’allongement des câbles n’est pas à prendre en compte. 2 Deuxième solution... Utilisation du codeur de position. Le nombre des capteurs dans la gaine est limité aux capteurs de sécurité : la maintenance est facilité L’installation du système est moins onéreuse que la solution précédente car il y a peu de réglages.

Synthèse liée à la compréhension globale Situation d’étude 4 Synthèse liée à la compréhension globale Question 4. Rédiger en quelques lignes... L’intérêt de transmettre à la carte centrale trois informations de la chaîne de sécurité, au lieu d’une seule... Le principe de redondance en matière de sécurité est toujours utilisé dans les systèmes où la notion de protection des personnes intervient. 3