Sujet Épreuve E41 - BTS CIRA - session 2016 (doc) (link ... - Eduscol

Session 2016 Brevet de Technicien Supérieur CONTRÔLE INDUSTRIEL
ET RÉGULATION AUTOMATIQUE
[pic]
Durée : 3 heures Coefficient : 4 Matériel autorisé : Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices
programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur
fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante
(Circulaire n° 99-186, 16/11/1999). Tout autre matériel est interdit. Aucun document autorisé.
Documents à rendre avec la copie : Les documents réponses 1 (pages 10 et 11), 2 (pages 12 et 13), 3 (pages 14
et 15), 4 (pages 16 et 17) et 5 (pages 18 et 19) sont fournis en double
exemplaire, un exemplaire étant à remettre avec la copie, l'autre servant
de brouillon éventuel. Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il est complet.
Le sujet se compose de 19 pages, numérotées de 1/19 à 19/19.
S'il apparaît au candidat qu'une donnée est manquante ou erronée, il
pourra formuler toutes les hypothèses qu'il jugera nécessaires pour
résoudre les questions posées. Il justifiera alors clairement et
précisément ces hypothèses. |BTS CONTRÔLE INDUSTRIEL ET RÉGULATION AUTOMATIQUE |Session 2016|
|INSTRUMENTATION ET RÉGULATION |Code : CAE4IR |Page 1/19 |
[pic] Le procédé étudié dans ce sujet est basé sur la production de sucre
cristal à partir de la betterave sucrière. Le Plan de Circulation des Fluides (PCF) de l'ensemble de l'installation
est représenté en annexe 1, page 7/19. La première étape consiste à épurer le jus sucré de débit volumique QJs?
dans trois zones distinctes (le chaulage, la carbonisation et la
filtration).
Le jus sucré filtré obtenu de débit volumique QJsF? est ensuite chauffé
dans un four de cuisson par de la vapeur de débit QVap? afin d'obtenir un
jus concentré sucré de teneur en saccharose imposé de débit volumique
QJsC85?.
On obtiendra enfin le sucre cristal par une unité de cristallisation non
étudiée dans ce sujet. Cinq régulations distinctes seront développées ci-
après :
1- Le débit massique de pierres à chaux QmPC? est mesuré par une bande
peseuse et réglé par la vitesse d'entrainement du tapis. 2- Le débit volumique de lait de chaux QvLC? est obtenu par mélange
des pierres à chaux et d'eau de débit volumique QvE? selon un ratio
précis. 3- Le niveau de jus sucré filtré dans le four de cuisson est réglé par
action sur le débit volumique QJsF. 4- La température du jus filtré dans le four est réglée par action sur
le débit vapeur QVap.
5- La densité du jus concentré est réglée par action sur les débits
volumiques de recirculation QRec? et de jus concentré QJsC85?. Ce sujet sera décomposé en trois parties pouvant être traitées séparément
: . Partie A - Fabrication du lait de chaux : questions 1 à 10 - Régulation
. Partie B - Gestion du four de cuisson : questions 11 à 21 - Régulation
& Instrumentation
. Partie C - Production du sirop : questions 22 à 29 - Régulation &
Instrumentation
Les signaux des transmetteurs sont linéaires de sortie normalisée 4-20 mA.
Les caractéristiques installées des vannes sont considérées linéaires.
[pic] Régulation de débit massique de pierres à chaux QmPC?
Q1. Compléter le plan T.I. (Tuyauterie et Instrumentation) de la
régulation massique de débit de pierres à chaux sur le document
réponse 1 page 11/19. Régulation de débit volumique de lait de chaux QvLC?
Le débit volumique de lait de chaux est obtenu par un ratio précis entre le
débit de pierres à
chaux et le débit d'eau de dissolution. Q2. À partir du plan T.I. en annexe 1 page 7/19, préciser la technologie
utilisée pour la
mesure du débit d'eau. Q3. Donner le nom de la stratégie de régulation proposée en annexe 1 page
7/19. Préciser les grandeurs menée et menante. Q4. Compléter le schéma-bloc SNCC correspondant à cette stratégie sur le
document réponse 1 page 11/19. Le cahier des charges impose un débit volumique de lait de chaux QvLC? de
18 m3.h-1 et de masse volumique ?LC = 1 200 kg.m-3. On cherche à régler
précisément le débit d'eau de dissolution par ajustage du coefficient K%.
Le débit massique total de lait de chaux QmLC est égal à la somme du débit
massique de pierres à chaux QmPC? et du débit massique d'eau QmE?. Q5. Écrire l'égalité reliant QmLC à QmPC et QvE.
Tableau de données du procédé
| |Lait de chaux|Pierres à chaux|Eau de dissolution|
|Débit volumique |18,0 | |À déterminer |
|(m3.h-1) | | | |
|Débit massique (t.h-1)|À déterminer |1,5 |À déterminer |
|Masse volumique |1 200 |3300 |1 000 |
|(kg.m-3) | | | |
|Étalonnage | |0 - 2 t.h-1 |0 - 25 m3.h-1 |
|Transmetteur | | | |
Q6. À partir du tableau de données du procédé, calculer le débit massique
de lait de chaux
QmLC (t.h-1). t.h-1 : tonne par heure. Q7. En déduire, le débit massique d'eau de dissolution QmE (t.h-1) et son
débit volumique
QvE? (m3.h-1). Q8. Calculer le coefficient de proportionnalité R '
QvE QmPC en (m3.t -1).
On choisira un coefficient de proportionnalité R = 12 pour la question
suivante. Le coefficient de proportionnalité K% entre les deux signaux normalisés
X1(%) et X2(%), à implémenter dans le bloc SNCC « ANCON » dépend des
coefficients d'étalonnage KPC
(FT 1), de KE (FT 2) et de R.
On rappelle que le coefficient d'étalonnage désigne la constante qui relie
le signal normalisé de mesure à la grandeur physique. X1(%) est le signal normalisé de la mesure du débit massique QmPC (t.h-1).
X2(%) est le signal normalisé de la mesure du débit volumique QvE? (m3.h-
1). Q9. Exprimer X1 (%) en fonction de QmPC (t.h-1) et X2 (%) en fonction de
QvE (m3.h-1). Q10. Exprimer K% en fonction de KPC, KE et R. Calculer numériquement K%.
[pic] Régulation de niveau de jus sucré filtré
Le jus sucré filtré (forme liquide) de débit QJsF? est envoyé dans
plusieurs fours de cuisson (un seul est représenté sur le plan T.I.). Ce
débit est donc sujet à de grandes variations en fonction de la demande sur
l'ensemble des fours. Q11. Afin que le niveau demeure insensible à ces variations, proposer une
stratégie de régulation faisant intervenir la vanne FV4, et les
transmetteurs FT4 et LT 3. Q12. Compléter le plan T.I. de cette stratégie sur le document réponse 2
page 13/19. Le transmetteur de débit FT4 est un débitmètre massique à force
de Coriolis.
Q13. Donner son principe de fonctionnement en 5 lignes maximum. Le débitmètre massique utilisé est le modèle OPTIMASS 7000 de marque
KROHNE. Il est communiquant sous le protocole HART. Q14. Donner un intérêt de ce type de communication. Q15. À l'aide de la notice technique donnée en annexe 2 page 9/19, donner
son débit massique maximum en kg.h-1 pour un DN (Diamètre Nominal) de
25. Q16. En déduire la stabilité de son zéro en kg.h-1 pour un modèle en Acier
Inox à l'aide de l'annexe 2 page 8/19. Le débit massique mesuré réel QJsF? est de 10 t.h-1. Q17. Calculer son incertitude de mesure totale maximale en kg.h-1 à l'aide
de l'annexe 2 page 8/19. Régulation de température du jus sucré filtré dans le four
La température du jus sucré dans le four de cuisson est réglée par le débit
vapeur QVap?. Q18. Compléter le plan T.I. de cette stratégie sur le
document réponse 2 page 13/19. On désire régler le procédé de température par une méthode appropriée.
Auparavant, il sera nécessaire d'identifier le procédé dont la réponse
x5(t) à un échelon de commande y5(t) sur la vanne (TV 5). Voir document
réponse 3 page 15/19. Q19. Par la méthode de Broïda, en faisant figurer les traits de
construction sur le document réponse 3 page 15/19, déterminer la
fonction de transfert H5(p).
On considérera que la fonction de transfert du procédé s'écrira : H (p) X5 (p) 1,5 -400.p
5 ' ' .e Y5 (p) 1+
900p Le correcteur utilisé est de type PI mixte de fonction de transfert C5 (p) ' A 5
(1+ Ti5.p) Ti5. p Q20. Déterminer judicieusement la valeur de la constante de temps
d'intégration Ti5. On souhaite obtenir un réglage de la marge de gain MG =
10 dB.
Q21. Calculer la valeur de l'amplification A5. [pic] Concentration en saccharose du jus concentré sucré
Pour connaître l'avancement de la cristallisation, on mesure la
concentration en saccharose en sortie du four de cuisson à l'aide d'un
module de mesure par micro-ondes. On souhaite alors que la concentration du
jus en saccharose atteigne environ 90 °Brix (le °Brix est le pourcentage
massique de saccharose dissous dans le mélange). Lorsque les micro-ondes traversent le produit à mesurer, elles subissent
une forte interaction due à la présence d'eau. Des mesures de déphasage et
d'atténuation permettent de déterminer la teneur en eau avec une grande
précision et donc d'en déduire la concentration en °Brix. La grandeur « Concentration » est une fonction linéaire de la grandeur «
Déphasage » de la forme : Concentration = A1 x Déphasage + A0 (Déphasage : entre 0 et 360°, Concentration exprimée en