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Une chaîne fonctionnelle permet d'appréhender la structure interne d'un système technique (ou objet technique). Les flux d'énergies et d'informations y sont représentés et les rôles de chaque constituant y sont précisés.
Introduction
modifierUne chaîne fonctionnelle est une représentation symbolique de l'agencement matériel des solutions technologiques mises en œuvre dans un système technique répondant à un besoin. Elle peut être décomposée en une (ou plusieurs) chaîne d'énergie et d'information, la première gérant les flux d'énergies et la seconde les flux d'information.
L'énergie est véhiculée à l'aide d'un vecteur énergétique. Il en existe plusieurs formes. Les formes électrique, mécanique, pneumatique et hydraulique sont les solutions les plus couramment utilisées dans les systèmes techniques. Les informations sont quant à elles, véhiculées à l'aide de vecteurs informationnels. Il en existe également plusieurs formes, même si les signaux électriques sont les plus courants.
Chaque solution technologique (ou constituant) remplit une (ou plusieurs) fonction(s) technique(s) élémentaire(s). Une fonction aura pour rôle de participer à la gestion d'un flux d'énergie ou d'information dans le système technique.
Vecteur énergétique et informationnel
modifierIl existe plusieurs vecteurs énergétiques ou informationnels. Le choix d'une solution dépendra des sources disponibles et du rapport coût/performance. Par exemple, pour capter une information binaire à faible variation temporelle, une solution pneumatique sera suffisante et moins coûteuse qu'une solution électrique. De même, pour transmettre une énergie au sein d'un engin de travaux publics, une solution hydraulique sera moins coûteuse qu'une solution électrique, même si le rendement en pâtira.
Les vecteurs énergétiques utiles employés dans les systèmes techniques sont de forme électrique, mécanique, hydraulique ou pneumatique. Chaque vecteur énergétique est caractérisé par un potentiel et un flux. Les vecteur informationnels sont pneumatiques ou électriques.
Vecteur énergétique électrique
modifierLe vecteur électrique prend principalement deux formes: soit alternative, soit continue. Dans les deux cas, le potentiel est caractérisé par la tension (en volts) et le flux par l'intensité du courant (en Ampère)
Vecteur énergétique mécanique
modifierLe vecteur mécanique est le premier vecteur énergétique employé dans les moulins à vent pour véhiculer l'énergie entre les voiles et la meule. Il est caractérisé par une force (en Newton) comme potentiel et une vitesse (en mètre/seconde) comme flux.
Vecteur énergétique hydraulique
modifierLe vecteur hydraulique est utilisé dans les systèmes nécessitant de forte puissance et une forte fiabilité comme dans les engins agricoles ou de travaux publics par exemple. Le potentiel est caractérisé par la pression (en Pascal ou Bar) et le flux par le débit (en mètre cube par seconde).
Vecteur énergétique pneumatique
modifierComme le vecteur hydraulique, le vecteur énergétique pneumatique est caractérisé par une pression (en Pa) et un débit (mètre cube par seconde). Il est utilisé pour alimenter des vérins pneumatiques ou des moteurs à air comprimé par exemple.
Vecteur informationnel pneumatique
modifierCe vecteur est utilisé pour véhiculer une information binaire de position ou de contact. L'état logique sera déterminé par la présence ou non de pression dans le circuit.
Vecteur informationnel électrique
modifierPour véhiculer une information électriquement, il est possible d'utiliser cinq formes: analogique, binaire, numérique, en série ou modulé. Le choix de la forme sera fonction des constituants, de la précision, de la vitesse de transmission, etc.
La forme analogique est une tension électrique ou un courant électrique, image de l'information à véhiculer. Il est nécessaire d'établir la fonction tension=f(information) ou courant=f(information). Cette forme est utilisée dès la sortie des capteurs de grandeurs physiques comme la température, la pression, le champ magnétique, la luminosité, etc.
La forme binaire est utilisée pour véhiculer les informations tout ou rien ou TOR. Il existe des grandeurs normalisées comme le 0-10V ou 4-20mA utilisées par les automates programmables. Le 0-5V ou 0-3.3V sont utilisés pour les entrées des microcontrôleurs.
La forme numérique est obtenue à partir d'une forme analogique à travers un convertisseur analogique numérique (CAN). La conversion s'accompagne nécessairement de pertes d'information. Le chemin inverse se fait à l'aide d'un convertisseur numérique analogique (CNA). Elle se caractérise par sa pleine échelle (en volts) et par sa résolution (en bits). La forme numérique véhicule des informations à travers un bus de donné sur plusieurs bits.
La forme série est obtenue en multiplexant une grandeur numérique. Les N bits d'une grandeur numérique sont transmis les uns après les autres. Cette forme permet de véhiculer les informations avec un nombre limité de fils (deux au minimum). Cette forme est caractérisée, entre autre, par sa vitesse de transmission.
Enfin, la forme modulée est obtenue par modulation d'amplitude, de fréquence ou de phase d'un signal sinusoïdal. Elle permet d'augmenter la quantité d'information à vitesse de transmission constante par rapport à une liaison série.
Les fonctions techniques élémentaires
modifierFonction Agir()
modifierLes constituants remplissant cette fonction utilisent la puissance fournit pour agir sur la matière d’œuvre. Par exemple une lame agit sur les aliments dans un mixer, les résistances chauffantes agissent sur l'air ambiant dans un four, une rouleau agit sur des barres d'acier dans un laminoir, etc. Ces constituants sont parfois appelés des effecteurs.
Il y a un port d'entrée pour recevoir l'énergie et un port de sortie pour la matière d’œuvre transformée: Matière d’œuvre transformée = Agir(Vecteur énergétique)
Fonction Adapter()
modifierLes constituants remplissant cette fonction adaptent les caractéristiques du vecteur entrant pour le constituant suivant. Dans le cas d'un vecteur énergétique, tout est retransmis au rendement près. On parle de conditionneur dans le cas d'un vecteur informationnel. Par exemple un transformateur va adapter le niveau de tension efficace (et le courant par conséquence), un réducteur mécanique va adapter la vitesse angulaire d'une énergie mécanique en rotation (et le couple par conséquence), un additionneur ou amplificateur va adapter le signal électrique analogique entre le capteur et le convertisseur etc.
Il y a un port entrant et un port sortant ayant le même vecteur avec des caractéristiques différentes.
Fonction Moduler()
modifierLes constituants remplissant cette fonction transmettent tout ou partie d'une puissance disponible en fonction d'un information externe. Par exemple un hacheur module la tension de sortie en fonction de la commande, un contacteur laisse passer ou non l'énergie électrique en fonction d'un commande, etc.
Il y a deux ports entrants: un pour recevoir l'énergie disponible et un pour l'information de commande. Le port sortant a le même vecteur énergétique que le port énergétique entrant.
Fonction Convertir()
modifierLes constituants remplissant cette fonction convertissent un vecteur énergétique ou informationnel en un autre vecteur énergétique de même nature. Par exemple une machine électrique convertit une énergie électrique en énergie mécanique en rotation, une pompe hydraulique convertit une énergie mécanique en rotation en une énergie hydraulique, un convertisseur analogique numérique convertit un vecteur information électrique de forme analogique en numérique, un haut parleur, un téléviseur, etc.
Il y a un port entrant et un port sortant pour des vecteurs de forme différente. Quelque soit la nature de la conversion, celle-ci s'accompagne de pertes.
Fonction Produire_localement()
modifierLes constituants remplissant cette fonction fournissent un vecteur énergétique utile à partir d'une énergie fossile et /ou renouvelable. Par exemple un moteur à combustion fournit une énergie mécanique en rotation à partir d'un combustible, un panneau photovoltaïque fournit une énergie électrique en courant continu à partir d'énergie solaire, une centrale nucléaire fournit une énergie électrique en courant alternatif à partir d'énergie nucléaire, etc.
Il y a un port entrant recevant l'énergie fossile ou renouvelable et un port sortant avec une énergie utile (mécanique, électrique, hydraulique ou pneumatique).
Fonction stocker()
modifierLes constituants remplissant cette fonction stockent et restituent l'énergie ou l'information fournie. Par exemple une batterie électrique sera mise en œuvre pour une énergie électrique en continu, un volant d'inertie pour une énergie mécanique en rotation, un disque dur pour une information numérique, etc.
Dans le cas de stockage énergétique, il n'y a qu'un seul port bidirectionnel. Dans le cas de stockage d'information, il y a un port bidirectionnel pour l'information à stocker ou à restituer et un port de commande précisant le lieu de stockage.
Fonction Acquérir()
modifierLes constituants remplissant cette fonction récupèrent une information et la traduisent en un vecteur informationnel. Par exemple un capteur de température va récupérer la température et la traduire en une tension analogique ou série.
Fonction Traiter()
modifierLes constituants remplissant cette fonction traitent les informations. Cette fonction exécute des opérations mathématiques, gère le stockage. Le microcontrôleur ou les automates programmables par exemple assurent cette fonction.
Fonction Communiquer()
modifierLes constituant remplissant cette fonction communiquent entre eux à l'aide d'un protocole commun.Par exemple le bus CAN sera le protocole commun entre les constituants communicants d'une automobile, les cartes réseaux dans un réseau Ethernet, etc.
Il y a un port entrant pour les données à communiquer et un port sortant pour les données adaptées au protocole. Les deux ports sont bidirectionnels.
Règles d'association
modifierPour associer deux blocs structurels, les ports communs doivent être de même identité et même caractéristiques