CAPET sciences industrielles de l'ingénieur externe 2023, épreuve 2Sujet

• -Énoncé, pages 2 à 25 ;
• -Annexes, pages 26 à 39 ;
• -Document réponse (à rendre avec la copie), pages 40 à 47.

• -de rédiger les réponses aux différentes parties sur des feuilles de copie séparées et clairement repérées ;
• -de numéroter chaque feuille de copie et indiquer le numéro de la question traitée ;
• -d'utiliser exclusivement les notations indiquées dans le sujet lors de la rédaction des réponses ;
• -de justifier clairement les réponses ;
• -d'encadrer ou souligner les résultats ;
• -de présenter lisiblement les applications numériques, sans omettre les unités, après avoir explicité les expressions littérales des calculs ;
• -de formuler les hypothèses nécessaires à la résolution des problèmes posés si celles-ci ne sont pas indiquées dans le sujet.

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -option : Ingénierie des constructions

• -Concours externe du CAFEP/CAPET de l'enseignement privé :
• -option : Ingénierie des constructions
  Concours
  

  

  
  

  

  
  

  

• -option : Ingénierie électrique
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

• -option : Ingénierie informatique
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

• -option : Ingénierie mécanique
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

LE SYSTÈME DE TRAITEMENT D'AIR PILOTÉ DANS UNE SERRE SEMI-FERMÉE

PARTIE 1. MISE EN SITUATION

1.1. Contexte général

1.2. Les serres semi-fermées

• -réchauffer l'air via des aérothermes (échangeurs thermiques air / eau) installés en hauteur dans le corridor ;
• -distribuer et brasser l'air dans la serre au moyen de ventilateurs et de gaines de distribution perforées et placées sous les tubes de chauffage d'eau situés dans la végétation ;
• -refroidir et humidifier l'air extérieur en le faisant circuler au travers de panneaux de refroidissement par évaporation, appelés Cooling PAD, positionnés en façade du corridor et humidifiés en continu ;
• -injecter du CO_2 dans la serre pour améliorer le rendement photosynthétique (la distribution du CO_2 n'est pas représentée sur le schéma de principe).

Figure 2 : schéma de principe de la serre semi-fermée

1.3. Problématique du sujet

« Créer dans la serre un climat de croissance optimal pour la tomate avec une utilisation rationnelle de l'énergie et de l'eau. »

• -de résister aux chargements climatiques et d'exploitation ;
• -de diffuser dans la serre l'air extérieur refroidi ou l'air intérieur réchauffé ;
• -de gérer la surpression et d'évacuer l'air chaud en toiture ;
• -de rafraîchir et humidifier l'air de la serre.

1.4. Visite de la serre

PARTIE 2. RÉSISTANCE DE LA STRUCTURE

2.1. Étude des sollicitations mécaniques

2.2. Étude de la poutre treillis

Figure 4 : poutre treillis

PARTIE 3. DISTRIBUTION DE L'AIR DANS LE CORRIDOR ET LA SERRE

3.1. Détermination de la plage de variation des vitesses des ventilateurs

3.2. Pilotage des machines électriques d'entraînement des ventilateurs

Figure 5 : structure interne du modulateur d'énergie

• -fréquence des courants et tensions statoriques : f(enHz);
• -pulsation des courants et tensions statoriques : ω = 2 ⋅ π ⋅ f (en rad ⋅ s^(− 1) );
• -nombre de paires de pôles de la MAS : p;
• -vitesse de synchronisme : Ω_s = ω/p (en rad ⋅ s^(− 1) ) et N_s (en tr. min^(− 1) ) ;
• -vitesse de l'arbre de la MAS : Ω (en rad ⋅ s^(− 1) ) et N (en tr. min^(− 1) );
• -glissement : g = (Ω_s − Ω)/(Ω_s) = (N_s − N)/(N_s);
• -couple sur l'arbre de la MAS : C (en N ⋅ m ).

Figure 7 : caractéristiques mécaniques C = f(N)des MAS alimentées à fréquence variable

3.3. Communication entre l'ordinateur de supervision et les modulateurs d'énergie

Figure 8 : synoptique partiel du réseau informatique de commande des ventilateurs

Figure 10 : structure d'une trame Modbus RTU

Figure 11 : relevé d'une trame Modbus RTU

3.4. Architecture du réseau

PARTIE 4. GESTION DE LA SURPRESSION DANS LA SERRE

Figure 12 : vues du système d'entraînement mécanique des châssis

Figure 13 : vues du système d'entraînement mécanique des châssis

Figure 14 : schéma cinématique simplifié du système d'entraînement mécanique d'un châssis

• -le repère (O, x⃗_0, y⃗_0, z⃗_0) lié à la structure de la serre est considéré galiléen ;
• -le repère R_2 = (A, x⃗_2, y⃗_2, z⃗_0) est rattaché au bras pousseur (2) ;
• -le repère R_3 = (C, x⃗_3, y⃗_3, z⃗_0) est rattaché au châssis de surpression (3) ;
• -l'équilibre du système peut être étudié dans le plan de symétrie (A, x⃗_0, y⃗_0);
• -les liaisons pivot d'axe (A, z⃗_0), (B, z⃗_0) et (C, z⃗_0) et la liaison glissière de direction x⃗_0 sont considérées comme parfaites ;
• -le poids du bras pousseur (2) est négligé ;
• -le poids du châssis (3) est noté P⃗_3 = m_3 ⋅ g⃗ et appliqué au point G ;
• -la masse d'un châssis de surpression est notée m_3 = 38 kg;
• -l'accélération de la pesanteur est notée g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2);
• -la vitesse du vent est négligée.

• -la vitesse linéaire moyenne de déplacement V = |x˙(t)|_(moy) du tube « push-pull » ;
• -l'action mécanique exercée par le tube « push-pull » (1) sur le bras pousseur (2).

4.1. Étude cinématique du système d'entraînement

Châssis en position ouverte maximale	Châssis en position fermée

Figure 15 : schéma cinématique du positionnement des châssis

Figure 16 : courbe de la loi entrée-sortie géométrique α = f(x)

Figure 17 : système pignoncrémaillère et réducteur à train simple

4.2. Étude statique du système d'entraînement

Figure 18 : courbe de l'effort de tirage en fonction de l'angle d'ouverture du châssis

4.3. Commande de l'ouvrant dans la serre expérimentale connectée du collège

Figure 19 : serre expérimentale

Figure 20 : ouvrant

4.4. Asservissement en position des châssis de surpression

Figure 21 : schéma-bloc de l'asservissement en position des châssis de surpression

Figure 22 : vue éclatée du système de fin de course RSU pour moteur Ridder RW

Figure 23 : constituants du capteur RPU

Figure 24 : trajet de mesurage du capteur RPU

Figure 25 : modèle multiphysique pour l'asservissement en position des châssis

Figure 26 : évolutions de α (alpha) et α_(cons) (alpha_cons) pour différentes valeurs de Couv

Figure 27 : valeurs de α_(cons) et de α en régime établi pour différentes valeurs de I_(cons)

4.5. Activités en classe sur la chaine d'information de la serre didactisée

PARTIE 5. RAFRAÎCHIR ET HUMIDIFIER L'AIR DANS LA SERRE

Figure 28 : panneaux de cellulose

5.1. Fonctionnement du Cooling PAD

Figure 29 : fonctionnement simplifié du Cooling PAD

5.2. Pilotage des électrovannes

Figure 30 : diagramme de l'air humide (DAH)

Son humidité relative et son humidité absolue s'obtiennent par lecture du diagramme de l'air humide (DAH) : Hr_s = 70% et Ha_s = 15 g ⋅ kg^(− 1).

PARTIE 6. CONCLUSION

• -l'efficience hydrique en litres d'eau apportée par kg de tomates produites ;
• -les efficiences énergétiques en kW ⋅ h apporté par kg de tomates produites pour les trois cas étudiés ;
• -les coûts totaux énergétiques en euros par kg de tomates produites pour les trois cas étudiés.

Annexe 1 (1/3)

Vue en coupe façade sud

Annexe 1 (2/3) : Plan de niveau

Annexe 2 : Diagramme partiel des exigences

Annexe 3 : Diagramme partiel de définition des blocs

Annexe 4

Annexe 5 (1/2) : Protocole Modbus

• -il ne peut y avoir qu'un seul équipement en train d'émettre,
• -le maître gère les échanges et lui seul en a l'initiative,
• -aucun esclave ne peut de lui-même envoyer de message sans y avoir été invité,
• -les communications directes d'esclave à esclave ne sont pas possibles.

Requête / réponse	Diffusion
La requête du maître est adressée à un esclave donné. La réponse est attendue en retour de la part de l'esclave interrogé.	Le maître diffuse une requête à tous les esclaves du bus. Ces derniers exécutent l'ordre sans émettre de réponse. Les commandes de diffusion sont des commandes d'écriture obligatoirement.

• Requête du maître

Annexe 5 (2/2) : Protocole Modbus

• -
  Réponse de l'esclave

  N^∘ esclave	N^∘ fonction	Nombre d'octets lus	Valeur premier mot		Mots suivants	Valeur dernier mot		CRC
  			PF	Pf		PF	Pf	PF	Pf
  1 octet	1 octet	1 octet	2 octets			2 octets		2 octets

• -Exemple : lecture de la valeur du registre 4000(0FA0_(16)) de l'esclave 4(04_(16)).
• -
  Requête du maître :

  04

  03

  OF A0

  0001

  CRC

• -
  Réponse de l'esclave : la valeur contenue dans le registre 4000 est 600 (0258 _(16) ).

  04

  03

  02

  0258

  CRC

• □Écriture d'un mot de sortie : fonction 6(06_(16))
• -
  Requête et réponse : le format des trames dans ce cas est identique.

  N° esclave	N^∘ fonction	N° du mot		Valeur du mot		CRC
  		PF	Pf	PF	Pf	PF	Pf
  1 octet	1 octet	2 octets		2 octets		2 octets

• -Exemple : écriture de la valeur 500(01F4_(16)) dans le registre 4000 de l'esclave 5(05_(16)).
• -
  Requête du maître et réponse de l'esclave :

  05

  06

  OF A0

  01 F4

  CRC

• □Écriture de N mots de sortie : fonction 16 ( 10_(16) )

• -
  Requête du maître

  N^∘ esclave	N^∘ fonction	N° du premier mot	Nombre de mots	Nombre d'octets		Valeur du premier mot	Mots suivants	CRC PF □
  		PF	PF		PF	Pf
  1 octet	1 octet	2 octets	2 octets	1 octet				2 octets

• -
  Réponse de l'esclave

  N^∘ esclave	N^∘ fonction	N° du premier mot		Nombre de mots		CRC
  		PF	Pf	PF	Pf	PF	Pf
  1 octet	1 octet	2 octets		2 octets		2 octets

Annexe 6 : Schéma cinématique simplifié du système d'ouverture-fermeture des châssis de surpression

Annexe 7 : Motoréducteur RW45

Tous les motoréducteurs RW45 sont réalisés avec un set de vis sans fin autobloquant. Cette transmission

assure le freinage de l'arbre d'entraînement quand l'entraînement est arrêté. La combinaison de transmissions à pignons et à denture hélicoïdale assorties produit une transmission mécanique très silencieuse.

• -moteurs électriques asynchrones triphasés 3 × 400 V − 50 Hz,
• -moteurs électriques de série tropicalisés et exécutés selon la classe de protection IP55,
• -couple moteur jusqu'à 120 Nm pour une fréquence réseau de 50 Hz,
• -vitesse de 6 tr/min à 50 Hz,
• -adaptés à un usage discontinu, classe d'utilisation S3-35 %, période d'engagement max. 25 min,
• -équipés de roues à chaîne galvanisées 1/2" × 5/16" à 12 dents pour accouplements à chaîne,
• -option pour des roues à chaîne 16 dents 1/2" × 5/16" pour compenser des différences d'angle importantes (jusqu'à 6°).

Annexe 8 : Document ressource technologie - programme 2016 - cycle 4 - extrait (1/4)

• -Imaginer, synthétiser, formaliser et respecter une procédure, un protocole
• -Mesurer des grandeurs de maniere directe ou indirecte.
• -Rechercher des solutions techniques à un problème posé, expliciter ses choix et les communiquer en argumentant.
• -Participer à l'organisation et au déroulement de projets.

• -Identifler un besoin et énoncer un problème technique, identifier les conditions, contraintes (normes et réglements) et ressources correspondantes.
• -Identifier le(s) matériau(x), les flux d'énergie et d'information dans le cadre d'une production technique sur un objet et décrire les transformations qui s'opèrent.
• -S'approprier un cahier des charges.
• -Associer des solutions techniques à des fonctions.
• -Imaginer des solutions en réponse au besoin.
• -Réaliser, de manière collaborative, le prototype de tout ou partie d'un objet pour valider une solution.
• -Imaginer, concevoir et programmer des applications informatiques pour des appareils nomades.

• -Exprimer sa pensée à l'aide d'outils de description adaptés croquis, schémas, graphes, diagrammes, tableaux (représentations non normées).
• -Traduire, à l'aide d'outils de représentation numerique, des choix de solutions sous forme de croquis, de dessins ou de schêmas.
• -Présenter à l'oral et à l'aide de supports numériques multimédia des solutions techniques au moment des revues de projet.

• -Décrire, en utilisant les outils et langages de descriptions adaptés, la structure et le comportement des objets.
• -Appliquer les principes élémentaires de l'algorithmique et du codage à la résolution d'un problème simple.

• -Simuler numeriquement la structure et/ou le comportement d'un objet.
• -Organiser, structurer et stocker des ressources numériques.
• -Lire, utiliser et produire des représentations numériques d'objets.
• -Piloter un système connecté localement ou à distance.
• -Modifier ou paramétrer le fonctionnement d'un objet communicant.

• -Développer les bonnes pratiques de fusage des objets communicants.
• -Analyser l'impact environnemental d'un objet et de ses constituants.
• -Analyser le cycle de vie d'un objet.

• -Regrouper des objets en familles et lignées.
• -Relier les évolutions technologiques aux inventions et innovations qui marquent des ruptures dans les solutions techniques.

Annexe 8 : Document ressource technologie - programme 2016 - cycle 4 - extrait (2/4)

Annexe 8 : Document ressource technologie - programme 2016 - cycle 4 - extrait (3/4)

Annexe 8 : Document ressource technologie - programme 2016 - cycle 4 - extrait (4/4)

En 3^(ème) - introduction du comptage et de plusieurs boucles conditionnelles imbriquées, décomposition en plusieurs sous-problèmes

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Document réponse DR1 (question 10)

Fonctionnement de la serre semi-fermée en été	Fonctionnement de la serre semi-fermée en hiver

Document réponse DR2 (question 15)

Courbes caractéristiques de fonctionnement des ventilateurs Perte de charge du circuit aéraulique

Document réponse DR3 (question 16)

Représentations temporelles	Représentations spectrales

Document réponse DR4 (question 21)

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Document réponse DR5 (questions 33, 38 et 39)

Chaîne de puissance pour la mise en position des tubes « push - pull »
11 châssis de surpression sont manœuvrés par le tube 1 et 10 châssis de surpression par le tube 2.
Le motoréducteur pilote donc l'ouverture de 21 châssis.

Document réponse DR6 (question 47)

Évolution de l'intensité / du courant délivré par le capteur RPU en fonction de la position angulaire α des châssis de surpression

Document réponse DR7 (question 48)

Document réponse DR8 (question 50)

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Document réponse DR10 (questions 56 et 57)

def piloter_EV(Te,Hre,Vair):
    """ Retourne le nombre d'électrovannes à ouvrir et leur durée d'ouverture """
    # Caractéristiques du PAD et de la serre
    LT = 180 # en m
    h = 1.8 # en m
    cb = 0.2 # constante spécifique au système
    rho_air = 1.2 # masse volumique de l'air
    Vserre = 137447 # en m^3
    # Calculs de Qair, E et C
    Ts,Hrs = calcul_Ts_Hrs_PAD(Te,Hre)
    Hae =
    Has =
    Qair = 3600 * Vair * LT * h
    E = rho_air * Qair * (Has - Hae) / (1000 * 60)
    C = (1 + cb) *E
    # Détermination de Nouv et calcul de touv
    if
        xwwwwwwwwwwwwwwwwwww.n.n.ch.n.th.n..
    elif
        (wwwwwwwwwwwwwwwwanth.n.n.n.n.n...........
    else :
    touv = 60 * Vserre / Qair
    return Nouv, touv

Document réponse DR11 (questions 58 et 59)