Introduction à la Régulation Industrielle - BTS CIRA PDF

COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE...

COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 1. L’Industrie de process Les installations industrielles peuvent être classées en deux grandes familles: Les industries manufacturières. Les industries de process. Les industries manufacturières regroupent les industries de transformation des biens, on retrouve dans ces industries des machines automatisées de production (exemple: industrie automobile) Dans les industries de PROCESS les matières premières subissent une transformation physico- chimique propre au procédé industriel. Dans ce type d'industrie on a à faire à des procédés de fabrication faisant intervenir, en général, des fluides. La conduite de ces installations se fait à partir de salles de commande informatisées ou sont centralisées les informations en provenance de capteurs et à destination des moteurs, pompes, vannes...situés sur l'installation. Le domaine Cira concerne plutôt la deuxième catégorie (les industries de process). La spécificité de ces installations impose de maîtriser des grandeurs physiques comme la pression, le débit, le niveau, la température, les analyses chimiques,... Les locaux techniques ou salles techniques permettent de regrouper le matériel nécessaire au bon fonctionnement de l’installation : SNCC, API, départs moteurs, convertisseurs, automates de sécurité, convertisseurs de signaux, …soit tout le matériel nécessaire pour le Commande-contrôle de ces installations 1|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 2. Procédé - processus - Process Procédé Industriel. C'est la méthode à suivre pour obtenir un produit (comme une recette de cuisine...). Le procédé est immatériel et se présente sous la forme d'un texte accompagné de schémas explicatifs formant le « livre du procédé » (process data book). On y décrit les ingrédients à utiliser, les moyens matériels à prévoir, les opérations à exécuter et les conditions (pression, débit, température, etc.) à respecter pour obtenir le produit à fabriquer, en quantité (capacité de production) et en qualité. Le procédé doit être matérialisé par une unité de production ou processus. Processus Industriel. Le terme processus désigne deux aspects d'une installation de production, l'un descriptif, l’autre matériel : - Aspect descriptif : c'est l'ensemble des opérations détaillées d'élaboration d'un produit fini devant posséder des caractéristiques imposées dans les limites de tolérances fixées, selon un procédé déterminé. - Aspect matériel : c'est l'installation proprement dite, comprenant tous les appareils nécessaires à la transformation des matières premières. REMARQUE : en anglais le terme « process » désigne à la fois le procédé et le processus Procédé Continu ou à flux continu : Le produit fini est élaboré de façon ininterrompue. On parle de feu continu (raffinerie, distillerie, verrerie…). Procédé discontinu ou batch (ou par lot): Le produit fini est élaboré en séquence il y a discontinuité dans la production (réacteur chimique,…). CONDENSEUR RESIDUS TT TETE Bac de reflux reflux PRECHAUFFEUR COLONNE DISTILLAT ALIMENTATION A B M C LT FOND REBOUILLEUR vapeur Vapeur Bac à condensats produit fini 2|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 3. La régulation Définition Régulation : Action de régler, d’organiser : la régulation des transports. Ensemble de mécanismes permettant le maintien de la constance d’une fonction : régulation thermique, glycémique. La Régulation Industrielle consiste à maintenir une grandeur physique à une valeur donnée (la consigne) et ce, malgré des perturbations. Process continus : Les grandeurs physiques traitées font partie de procédés industriels (Process) continus … dans la majorité des cas Chaine de régulation : L’ensemble des éléments permettant de parvenir à cet objectif constitue une chaîne de régulation (ou boucle de régulation) Instrumentiste-régleur : Les personnels pratiquant cette activité sont des régleurs ou instrumentistes. (Affectés au service maintenance ou métrologie suivant la taille et l’organisation de l’entreprise) 3.1 Les fonctions de la boucle de régulation. GRANDEUR REGLEE MESURER Tube transparent + règle graduée. Capteur Transmetteur TRANSMETTRE Yeux L’Information MESURE CONSIGNE TRAITER Cerveau Régulateur TRANSMETTRE Nerfs L’ordre COMMANDE AGIR Muscles + vanne. Actionneur GRANDEUR ORGANE DE REGLAGE REGLANTE , ventelle Vanne, moteur 3|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 3.2 La chaine de régulation ou Boucle de régulation. (Loop control) Régulateur Actionneur Procédé Capteur-transmetteur Consigne Grandeur Grandeur Mesure réglante Réglée + - Commande Mesure Grandeurs à contrôler Les principales grandeurs physiques à contrôler (maîtriser) sur un processus industriel sont au nombre de quatre, désignées par une lettre majuscule (initiale ; du mot anglais) : P (PRESSURE) : PRESSION F (FLOW) : DÉBIT L (LEVEL) : NIVEAU T (TEMPERATURE) : TEMPÉRATURE D'autres grandeurs physiques ou chimiques peuvent aussi être mesurées ou « analysées » : A (ANALYSIS) : ANALYSE L’analyse effectuée peut être : - La mesure d'une qualité spécifique d'un corps (masse volumique, viscosité, pression de vapeur, etc.), - La détection du changement d'état d'un corps (solidification, vaporisation, etc.), - La composition chimique d'un corps (en général partielle) ou la teneur d'un seul composant dans un mélange, - Le pH d'une solution (dissociation ionique). La grandeur réglée, c'est la grandeur physique que l'on désire contrôler. Elle donne son nom à la régulation. Exemple : une régulation de température. La consigne : C'est la valeur que doit prendre la grandeur réglée. La grandeur réglante est la grandeur physique qui a été choisie pour contrôler la grandeur réglée. Elle n'est généralement pas de même nature que la grandeur réglée. Les grandeurs perturbatrices sont les grandeurs physiques qui influencent la grandeur réglée. Elles ne sont généralement pas de même nature que la grandeur réglée. L'organe de réglage est l'élément qui agit sur la grandeur réglante. 4|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 3.3 Influence de la régulation 3.3.1 Baisse du coût de la transformation La bonne régulation amène une plus grande précision sur la grandeur réglée, permettant une diminution de la consigne pour un fonctionnement à la limite. Pourcentage de pièces obtenues en fonction de l'erreur d'épaisseur du revêtement en μm lors d'un dépôt électrolytique La diminution de la disparité dans la valeur de la grandeur réglée, entraîne une diminution de la consigne de 1 μm pour l'obtention d'une épaisseur minimale sur toutes les pièces. 3.3.2 Baisse du coût de l'installation et gain de temps On reconnaît une bonne régulation par sa capacité à accélérer le système sans entraîner de dépassement de la consigne. Dans l'exemple ci-dessous une bonne régulation entraîne une diminution du temps nécessaire à l'élévation de la température, ainsi que l'économie d'un dispositif de refroidissement. 5|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 3.3.3 Exemple industriel 6|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 3.3.4 Résumé du fonctionnement d’une régulation Pour réguler un système physique, il faut : Mesurer la grandeur réglée avec un capteur. Réfléchir sur l'attitude à suivre : c'est la fonction du régulateur. Le régulateur compare la grandeur réglée avec la consigne et élabore le signal de commande. Agir sur la grandeur réglante par l'intermédiaire d'un organe de réglage. Fonctionnement en boucle ouverte (Manuel) On parle de fonctionnement en boucle ouverte quand c'est l'opérateur qui contrôle l'organe de réglage. Ce n'est pas une régulation. Fonctionnement en boucle fermée (Automatique) C'est le fonctionnement normal d'une régulation. Le régulateur compare la mesure de la grandeur réglée et la consigne et agit en conséquence pour s'en rapprocher. 7|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA 4. Contrôle commande industriel On peut représenter une régulation de la manière suivante : Le contrôle-commande des procédés industriels : les 3 niveaux. Toute installation industrielle, nécessite des moyens pour contrôler et piloter le procédé et les équipements afférents. L’ensemble de ces moyens constitue le « contrôle-commande », composé de plusieurs systèmes et de leurs matériels électriques et électroniques associés. La conception générale du contrôle-commande et de ses équipements répond à des spécifications imposées par le procédé, la sûreté et par les conditions d’exploitation. Il est composé de : - Capteurs qui effectuent automatiquement des mesures - puissance, pression, température, niveau de remplissage et transforment les données physiques en signaux électriques, - Automates de commande programmables qui traitent ces signaux, et pilotent des actionneurs. Ces systèmes élaborent, sur la base d'un certain nombre de données d'entrée, des ordres automatiques pour que les paramètres du procédé demeurent dans les limites autorisées par la sûreté, ou pour le déclenchement d'actions de protection telles que l'arrêt d'urgence, - Moyens de contrôle et de pilotage qui sont à la disposition des opérateurs en salle de commande (pupitres de commande, alarmes...). C’est dans ce local que sont centralisées les informations utiles à la conduite des installations et les moyens de commande à distance des différents organes. Hiérarchie des systèmes de contrôle Tout processus doit être équipé de systèmes de contrôle hiérarchisés de la façon suivante : Le niveau 1 comprend essentiellement l'instrumentation de contrôle du processus : capteurs (mesures), régulateurs, programmateurs, vannes régulatrices. Ce niveau 1 assure la conduite soit de façon permanente (processus continu), soit selon une séquence par commandes programmées (processus de fabrication par batch) initialisée par l'opérateur. Le niveau 2 comprend essentiellement une instrumentation de composition voisine de celle du niveau 1, mais totalement indépendante fonctionnellement de ce niveau. Ce niveau 2 assure la protection du processus selon une fonction discontinue non systématique, c'est-à-dire non initialisée par l'opérateur, à partir d'informations de dépassement de seuils sur des paramètres critiques du processus. 8|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA Le niveau 3 constitue la protection ultime du processus. Il ne contient pas d'instrumentation identique à celles des niveaux 1 et 2, mais des dispositifs fonctionnant sans énergie auxiliaire (soupapes, disques de rupture). Historique. De tout temps l'homme a cherché à 'automatiser' les procédés et machines qu’il utilisait. Cette modernisation a suivi l'évolution de la technologie... Les premiers automatismes industriels ont été réalisés à base de systèmes mécaniques. L’utilisation de l'air comprimé a permis de réaliser des automatismes pneumatiques (micro mécanique) L’évolution suivante est l'électronique, d'abord à partir de composants ‘discrets' puis des circuits 'intégrés' et enfin les microprocesseurs. Logique câblée. La logique câblée (par opposition à logique programmée) utilise des « modules » qui sont reliés « filairement » pour constituer une logique ; c’est une logique figée… Les modules ont été réalisés avec les technologies suivantes : - Composants discrets. Composants discrets. (R, L, C.…), lampes., semi-conducteurs. (Silicium), diode., transistor. - Circuits intégrés. Portes logiques, AOP. NE 555 (compteurs, comparateurs, bascules astable monostable, bistable, Trigger de Smith …) La logique combinatoire est basée sur l’algèbre de BOOLE, elle permet de mettre en équation un système ou l’état d’une variable de sortie est lié uniquement aux combinaisons des variables d’entrée. Les différentes fonctions logiques de base sont décrites sous cinq formes : Une représentation logique : symbole logique ou logigramme. Une représentation arithmétique : table de vérité, Une représentation algébrique ou canonique : équation de l'algèbre de Boole, Une représentation temporelle : chronogramme, Une représentation électrique : schéma développé à contacts. La logique séquentielle est adaptée aux systèmes fonctionnant par cycle ; avant l’apparition des API et du GRAFCET elle était réalisée par des séquenceurs, mécaniques ou électriques ; l’état d’une variable de sortie est lié aux combinaisons des variables d’entrée et au temps (c'est-à-dire le moment où l’on applique cette combinaison…) Logique programmée. --> Microprocesseur. L’avènement du micro-processeur a permis de construire des API (Système programmable basé sur la gestion d’entrées/sorties) La norme IEC 61131-3 définit entre autres choses, cinq langages qui peuvent être utilisés pour la programmation d’applications d’automatisme. Les cinq langages sont : SFC (« sequential function chart ») : issu du langage GRAFCET, ce langage, de haut niveau, permet la programmation aisée de tous les procédés séquentiels ; FBD (« function block diagram », ou schéma par blocs) : ce langage permet de programmer graphiquement à l’aide de blocs, représentant des variables, des opérateurs ou des fonctions. Il permet de manipuler tous les types de variables ; LD (« ladder diagram », ou schéma à relais) : ce langage graphique est essentiellement dédié à la programmation d’équations booléennes (true/false) ; ST (« structured text » ou texte structuré) : ce langage est un langage textuel de haut niveau. Il permet la programmation de tout type d’algorithme plus ou moins complexe ; IL (« instruction list », ou liste d’instructions) : ce langage textuel de bas niveau est un langage à une instruction par ligne. Il peut être comparé au langage assembleur. 9|P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA Remarques…Il faut noter que dans un environnement industriel cohabitent des technologies récentes et d’autres qui ont quelquefois plus de 30 ans. (Le CC des centrales PWR900 est en logique câblée de type relayage et les régulateurs sont des cartes avec des composants discrets du type diode, transistor…la fiabilité est au rendez-vous !) On retrouve sur des installations des parties en logique câblée et d’autres en logique programmée… Le revamping d’une installation permet de ‘moderniser’ son Commande Contrôle ; régulièrement on conserve les capteurs et l’on modifie le système informatique. On trouve des sécurités gérées en logique câblée. 5. Système Numérique de commande-contrôle. Architecture d'un SNCC. Le Commande-contrôle (ou contrôle-commande) regroupe le matériel nécessaire au bon fonctionnement et à la conduite de l’installation, il est architecturé autour d’un SNCC. Un SNCC est un Système Numérique de Contrôle- Commande. Ou DCS (Distributed control system) Il centralise toutes les informations issues du procédé (informations en provenance des capteurs ou à destination des actionneurs), il est doté d’une Interface Homme-machine et il assure la communication avec les autres équipements informatiques. 10 | P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA Éléments d’un SNCC. ➔ Le cœur d'un SNCC est le contrôleur (Controller) ; ce contrôleur est une Unité Centrale spécialisée (comme un PC) ; C’est un système numérique architecturé autour d’un processeur spécialisé ; il exécute les programmes présents dans sa mémoire, les programmes basiques consistent à commander des sorties (OUTPUT) en fonction des données d’entrées (INPUT). ➔ Cartes entrée / sortie (I / O) Les instruments de l’installation sont connectés aux SNCC par des cartes Entrées/sorties Input/Output o Un SNCC dispose de cartes dites "traditionnelles". (AI, AO, DI, DO) Capteur-transmetteur AI Actionneur analogique : vannes, variateurs, AO gradateurs, Détecteur, commutateur, BP… DI Actionneur TOR, voyants… DO o Des cartes « traditionnelles » compatibles HART permettent à partir des logiciels d’AMS ou PDM de gérer les instruments par la station de travail au travers du réseau. (Remplace terminal ou modem) o Cartes Bus de Terrain Instrumentation. (Fieldbus) ▪ Field Bus Foundation (FF) --> USA (intelligence déportée …PID) ▪ Profibus_PA -->CE o Cartes E/S déportées (PROFIBUS DP - DEVICE NET) permettent de déporter les E/S directement sur l'installation et ainsi de réduire le câblage dans les locaux techniques (notamment dans le cadre d'un Revamping). o Cartes permettent le dialogue avec des API ou des régulateurs MODBUS. o Cartes pour connecter des capteurs en WIFI...et sûrement bientôt des cartes en IP instrument direct ➔ Un bus fond de panier permet la connexion entre le contrôleur et les cartes entrées / sorties. ➔ Station de travail / configuration. Le contrôleur communique avec des stations de travail ou de conduite par le réseau ETHERNET. o HARDWARE : La station de travail est un PC (processeur INTEL par exemple) géré par un OS: (WINDOWS XP PRO…7…UNIX / LINUX) o SOFTWARE : Sur la station de travail on trouve les outils logiciels pour : ▪ Configurer le système. ▪ Programmer les applications. ▪ Créer les vues de conduite (ou synoptique) ▪ Conduire l’installation. (ex. EMERSON: Explorer, Control studio, Graphic studio et Operator interface.) ➔ Station de conduite/ historisation : idem station de travail mais avec les accès limités à la conduite des installations. 11 | P a g e  COURS 1 REGULATION INTRODUCTION A LA REGULATION INDUSTRIELLE BTS CIRA ➔ SNCC et API.API (Automate Programmable Industriel) = PLC (Programmable Logic Controller) On peut citer deux grandes différences entre un SNCC et un API : Le temps de scrutation pour un SNCC est en général de l’ordre de la seconde, il est adapté aux process continus ; Un API dispose de temps de scrutation jusqu’à 10 ms, il est adapté aux industries manufacturières. Le pack logiciel intégré à un SNCC permet de créer une application complète sans outils supplémentaires (programme, interface Homme-machine, historisation…) SNCC = API + SUPERVISEUR. Pour API: Les constructeurs de systèmes ont leur propre SCHNEIDER: PL7 PRO --> UNITY package...souvent plus évolué que celui des API. SIEMENS: STEP7 --> PCS EMERSON: PROVOX...DeltaV YOKOGAWA: CENTUM CS3000 HONEYWELL TDC3000... ➔ Sécurité Ce type de système peut être sécurisé ou adapter à l’environnement: o Redondance réseau contrôleur (primary et secondary) o Redondance contrôleur. o Redondances cartes. o Cartes pour ATEX. o SIL… ➔ Le réseau ETHERNET. o La communication 'habituelle' entre la station de travail et l’API s’effectue par le réseau éther net (net=réseau) o Une connectique RJ45. o Un support Cu (CAT5 ou CAT6) permet un débit jusqu'à 1GB ou la FO permet des débits supérieurs et une insensibilité aux parasites. o Sur le câble on utilise 2 paires (E+ E- R+ R-) o Le protocole : TCP / IP (organisation du dialogue) Il faut régler (PC et équipement) une adresse IP (v4): 192.168.10.4 (0 à 255) un masque de sous réseau: 255.254.0.0 (0 à 255) ➔ Le protocole HART permet de dialoguer avec un capteur numérique « traditionnel » (4-20mA) disposant du protocole HART. La communication s'effectue par l'intermédiaire d'un terminal de poche (calculette) ou par un PC équipé d'un MODEM (connecté sur un port USB ou série classique) en utilisant un logiciel du style PACKTWARE. Le modem convertit le signal numérique en un signal alternatif sinusoïdal superposé au 4-20mA, (un signal de fréquence f correspondra a1 et 2f à zéro.) Les logiciels AMS (EMERSON) et PDM (SIEMENS) permettent de gérer un parc d’instrument, l'utilisation de carte I/O HART permet de dialoguer directement avec les capteurs et actionneurs compatibles HART. ➔ Interface Homme Machine. Il est indispensable de développer un ‘dialogue’ entre l’API et l’opérateur. Une IHM (Interface Homme Machine) ou HMI (Human Machine Interface) Assure l’interface Opérateur / API. BP et voyants... Terminaux Opérateur (texte ou graphique)... écran tactile. (Ex: MAGELIS) SUPERVISEUR :IN TOUH (WONDERWARE) PANORAMA. 12 | P a g e