Chaînes d'énergie et d'information : cours de Bac pro MSPC

Une presse, un convoyeur, un robot de palettisation ou un simple vélo à assistance électrique ont un point commun : aucun ne marche sans énergie. Presque tous les objets et systèmes techniques sont dans ce cas ³. Devant une machine en panne, ta première question de mainteneur est donc : où l'énergie passe-t-elle, et où s'arrête-t-elle ?

Mais l'énergie seule n'explique pas un système de production connecté. Une machine automatisée doit aussi connaître son environnement : une pièce est-elle arrivée, un vérin est-il sorti, la température est-elle trop haute ? Pour travailler seul, sans intervention humaine, un système automatisé a donc besoin d'informations ³. Dans ce cours, tu apprends à décrire ces deux circulations, l'énergie d'un côté, l'information de l'autre, puis à les relier.

Dans le référentiel du Bac pro MSPC, ce sujet correspond à deux savoirs : la chaîne d'énergie (S2) et la chaîne d'information (S3) ⁴. Il correspond aussi à deux compétences que tu dois maîtriser : identifier et caractériser la chaîne d'énergie (C 1.2), puis identifier et caractériser la chaîne d'information (C 1.3) ⁴. Ces compétences s'appuient sur l'analyse fonctionnelle étudiée avant ce chapitre : tu sais déjà découper un système en fonctions, il reste à suivre ce qui y circule.

Pourquoi dessiner une chaîne plutôt que d'observer la machine ? Parce qu'une machine réelle est un ensemble de câbles, de moteurs, de tuyaux et de pièces mécaniques où l'on se perd vite. Le schéma garde seulement l'idée : d'où vient l'énergie, par quelles étapes elle passe, ce qu'elle devient à la fin. En panne, tu peux alors tester bloc après bloc, comme on suit un tuyau d'eau depuis le robinet pour trouver la fuite.

L'énergie peut prendre plusieurs formes : électrique, mécanique, thermique, lumineuse ³. L'énergie chimique stockée dans une batterie en est une autre ². Une chaîne d'énergie suit donc souvent une forme qui change au fil des blocs. Dans un vélo à assistance électrique, par exemple, on étudie la batterie, le variateur, le moteur et la transmission mécanique comme maillons successifs ¹.

Une chaîne d'énergie se lit de gauche à droite, de la source jusqu'à l'effet produit. Le référentiel MSPC décrit cette chaîne avec des fonctions comme alimenter, distribuer, convertir et moduler ⁴. En pratique, on retient une suite de cinq rôles que tu retrouveras dans presque tous les systèmes de production.

Prenons-les un par un, avec des exemples d'atelier.

• Alimenter : le bloc amène l'énergie dans le système. C'est le réseau électrique d'atelier, une batterie, un réseau d'air comprimé.
• Distribuer : il envoie l'énergie au bon endroit, au bon moment. Un contacteur, un relais ou un distributeur pneumatique jouent ce rôle ; un disjoncteur, lui, sert surtout à protéger le circuit. Le bloc de distribution reçoit les ordres de la partie commande : c'est là que les deux chaînes se rejoignent.
• Convertir : il transforme l'énergie d'une forme à une autre. Un moteur électrique convertit de l'électrique en mécanique ; une résistance chauffante convertit de l'électrique en thermique.
• Transmettre : il amène l'énergie convertie jusqu'à l'endroit où elle est utile, parfois en adaptant vitesse et effort. Un réducteur, une courroie, une chaîne ou une crémaillère transmettent de l'énergie mécanique.
• Agir : l'effecteur produit l'effet voulu sur la matière d'œuvre : la pièce avance, est serrée, est percée, est chauffée. Attention : le mot actionneur désigne en général le constituant du bloc convertir (moteur, vérin).

Selon les systèmes, la modulation de l'énergie (faire varier la puissance, comme un variateur de vitesse) s'intègre à ce schéma ⁴.

Voici le raisonnement type, sur un convoyeur à bande : pour chaque fonction, on note le constituant et la forme d'énergie en sortie.

Pourquoi l'information est-elle indispensable ? Un moteur qui reçoit de l'énergie tourne, mais ne sait pas s'il doit s'arrêter parce qu'une caisse est arrivée en bout de bande. Sans information, un système automatisé ne pourrait pas fonctionner de manière autonome, c'est-à-dire sans qu'une personne appuie sur un bouton à chaque mouvement ³.

On décrit la chaîne d'information avec trois rôles principaux.

• Acquérir : recueillir l'information sur l'état du système ou de son environnement. Les capteurs (fin de course, détecteur inductif, cellule photoélectrique, capteur de température, codeur) et les boutons de l'opérateur sont les constituants de ce bloc ³.
• Traiter : comparer ce qui est mesuré avec ce qui est voulu, puis décider. L'automate programmable industriel, un module logique ou un microcontrôleur remplissent cette fonction. Le programme enchaîne les actions selon les informations reçues.
• Communiquer : transmettre l'information vers l'opérateur (voyant, écran, afficheur, signal sonore) ou vers d'autres équipements (réseau, supervision, autre automate). C'est ce bloc qui rend un système « connecté ».

L'information traitée sort aussi sous forme d'ordres qui partent vers la chaîne d'énergie, en particulier vers les blocs qui distribuent l'énergie.

Sur une machine, les deux chaînes sont toujours liées par deux types de flux :

1. des ordres qui descendent de la chaîne d'information vers la chaîne d'énergie (le traitement commande la distribution) ;
2. des comptes rendus qui remontent de la chaîne d'énergie vers la chaîne d'information (un capteur mesure la position, la vitesse ou la température de l'actionneur ou du produit).

Ce va-et-vient permet à la machine de se réguler : elle agit, mesure, compare, corrige.

Caractériser une chaîne d'énergie ne revient pas seulement à nommer les blocs : on peut aussi mesurer ce qu'ils font de l'énergie. Une séquence pédagogique sur le vélo électrique se termine d'ailleurs par l'étude de l'efficacité de l'ensemble ¹. Aucun bloc de conversion ou de transmission n'est parfait : une partie de la puissance se transforme en chaleur, en frottements ou en bruit. On parle de pertes.