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INSTRUM / REGUL

AUTOMATISER UN PROCEDE - Introduction au CIRA 1. Du procédé ... 1.1. Activités dans une entreprise Une entreprise industrielle assure une production de biens (produits) selon certaines exigences (réglementations, cahier des charges) susceptibles d’évoluer. Ainsi, l’entreprise doit : • produire : c’est à dire transformer des matières premières et de l’énergie en biens de consommation • maintenir : elle doit assurer la meilleure disponibilité de l’outil de production (maintenance) • gérer : aussi bien techniquement que financièrement les ressources disponibles L'objectif est d'obtenir des produits d'une qualité donnée et à un coût concurrentiel en assurant bien sûr la sécurité des personnes et des biens. L'automatisation est un atout !

1.2. Procédé industriel C'est la méthode à suivre pour obtenir un produit (comme une recette de cuisine...). Le procédé est à l'origine immatériel. Il se présente sous la forme d'un texte accompagné de schémas explicatifs formant le « livre du procédé » . 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. Quelques procédés : chloration d'eau potable, moulage par soufflage d'un polymère, distillation ...

1.3. 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. En ingénierie, on retrouve souvent pour le désigner les termes « processus » ou « procédé » ou encore « process » en anglais. Dans le domaine du CIRA, on retiendra « procédé ». Le génie des procédés, le physicien ou le chimiste désigne les principales grandeurs physiques à contrôler et à régler. Il les fait apparaître sur le Plan de Circulation des Fluides (schéma de procédé).

2. … à son automatisation Le technicien CIRA est un spécialiste de la commande des processus mis en œuvre dans les industries de la chimie, de la pharmacie, de la métallurgie, de l'énergie, de l'agro-alimentaire, … Pour cela il fait appel à l' « Automatique » : science permettant l'automatisation de tâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. Trois étapes distinctes sont à respecter : – l’observation de toute déviation du procédé ; – la réflexion en ce qui concerne la correction à apporter ; – l’action sur une ou plusieurs grandeurs physiques. 2.1. Grandeurs physiques La réussite de l'automatisation des procédés physico-chimiques rencontrés est généralement liée à la maitrise des grandeurs physiques le régissant. On en rencontre principalement quatre, désignées par une lettre majuscule (initiale du mot anglais) : P (PRESSURE) PRESSION Automatiser un procédé

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F (FLOW) L (LEVEL) T (TEMPERATURE)

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DÉBIT NIVEAU 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). Avant de commander un procédé avec succès, il faut commencer par l'analyser pour comprendre ses réactions. Cela commence par l’inventaire de toutes ses grandeurs physiques. Il faudra rechercher toutes les grandeurs incidentes c’est-à-dire ayant une influence au travers du procédé sur les grandeurs à maîtriser.

Cette analyse du procédé nous permettra plus tard de le modéliser en équations = système.

2.2. Informations Entre les dispositifs d'observation, de réflexion, d'action et de tout autre dispositif nécessaire au bon fonctionnement du procédé automatisé vont circuler des informations. Non pas des informations orales ou écrites mais des signaux analogiques ou discrets. Une information analogique peut prendre toutes les valeurs possibles dans un intervalle donné. Les grandeurs physiques comme la température, la vitesse, la pression, la tension, … sont des informations analogiques. Elle peut être représentée par une courbe continue. Une information discrète est constituée d'un ensemble fini de valeurs. On distingue : • Information logique ou binaire (0 ou 1, vrai/faux, noir/blanc, Tout Ou Rien) • Information numérique sous la forme d'un mot binaire, constitué de plusieurs variables logiques (bits). Elle est généralement issue d'un traitement d'une information analogique (échantillonnage, codage).

2.3. 2.3. Notion de régulation L'objectif est de stabiliser avec précision et rapidité la grandeur à maitriser à une valeur souhaitée. Automatiser un procédé

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Principales catégories de systèmes automatisés : 1. Système combinatoire il n'est pas adapté à notre problème A une combinaison d'entrées correspond une combinaison des sorties. Aucune mémoire. 2. Système séquentiel peu adapté à la dynamique des procédés habituels L’évolution des sorties dépend à la fois des variables d’entrée et du temps. Une mémoire mais des discontinuités car souvent à base d'informations logiques. 3. système asservi dédié aux procédés dynamiques continus, et linéaires (modélisables) Il fonctionnent en bouclage permanent entre la (les) grandeur(s) à maitriser et la (les) grandeur(s) incidente(s). L'idée est de mesurer la grandeur à maitriser (grandeur réglée), de la comparer à une valeur souhaitée (consigne) et d'agir sur la grandeur incidente adéquate (grandeur réglante) pour annuler l'écart entre grandeur réglée et consigne. On parle d'asservissement ou de régulation. Les chaines de régulation nécessaires au procédé sont représentées sur le schéma de procédé ==> schéma TI En toute rigueur, un système régulé fonctionne avec une consigne fixe (ou à la limite modifiable par palier). La partie commande ne doit lutter que contre les perturbations : on parle de régulation de maintien. Tandis qu'un système asservi voit sa consigne fluctuer (régulation de suivi). En résumé, nous pouvons dire que les systèmes asservis sont aussi régulés, l'inverse n'étant pas toujours vrai.

3. Chaine de régulation 3.1. Chaine type Une chaîne de régulation / asservissement digne de ce nom doit donc comporter différentes fonctions, chacune étant assurée en général par un appareil particulier. Ces appareils forment deux chaines essentielles mises en boucle : on parle de chaine de régulation fermée. • •

une chaine d'action proposant un dosage progressif de la commande ; une chaine réaction ou de retour : chaine de mesure analogique de la grandeur réglée ;

En voici une représentation sous forme de schéma fonctionnel ou schéma-bloc : Z1

ε

W +

Correcteur

Yr

Actionneur

-

X m

Transmetteur

Instrument / signal Exemples W = Consigne

Z2

Processus 1 perturbateur

Processus 2 perturbateur

+

Grandeur réglante

+

Processus

+

signal bas niveau

X +

Capteur

Remarques

valeur que la grandeur réglée doit atteindre

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Comparateur ε = écart (Sommateur, différenciateur)

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Levier (mécanique), montage à Le comparateur W-Xm est généralement amplificateur opérationnels (électronique inclus dans le régulateur. analogique), algorithme numérique

Correcteur Yr = commande

électronique à processeur, pneumatique

différents algorithmes : PID, TOR, prédictif, numérique, logique floue

Régulateur

c'est l'association d'un comparateur avec un correcteur

Actionneur Grandeur réglante

Servomoteur, vanne Sous ce vocable se cachent les variateur, moteur, gradateur, distributeur, préactionneur, actionneur, effecteur ... nécessaires

Processus X = grandeur réglée

four, étuve, chaudière, cuve, réacteur, échangeur, colonne, séparateur, pompe, compresseur, ...

Appelé aussi procédé

Capteur signal bas niveau

T, P, L, F, A

Acquiert la grandeur physique réglée et la convertie en signal bas niveau

Transmetteur Xm = mesure

électronique est très souvent lié au capteur ou parfois au régulateur

amplifie, adapte et transmet un signal standard

Processus perturbateurs Z = grandeur perturbatrice

température extérieure, frottement, ouverture / fermeture de vanne, ...

provoqués par toute grandeur physique fluctuante perturbant le processus, il est rarement quantifiable mais c'est la raison d'être d'une régulation

Signaux

%, pneumatique, électrique (tension, courant, fréquence), sans fil, ...

Lors de transmission, l'émetteur et le récepteur doivent se comprendre

3.2. Boucle simplifiée A ce stade, on peut faire plusieurs remarques de bon sens : 1. L'Actionneur et le Capteur sont en contact avec le fluide du procédé. Ils interagissent forcément avec lui et en font donc partie. 2. La valeur de la grandeur réglée n'est que très rarement directement connue. C'est son image fournie par l'équipage Capteur / Transmetteur que le régulateur utilise. Dans l'idéal Xm exprime rigoureusement la même intensité dans sa gamme que celle de X dans la sienne. 3. Les perturbations sont souvent difficiles à modéliser et pour cause c'est d'elles que l'on veut s'affranchir. Toutefois une régulation réussie doit les combattre efficacement. Processus 1 perturbateur

ε

W +

Correcteur

Yr

Grandeur réglante

Actionneur

+

+

Processus

+

-

X m

Processus 2 perturbateur X +

Procédé Transmetteur

signal bas niveau

Capteur

Ainsi la boucle devient une boucle à retour unitaire :

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ε

W +

Correcteur

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Yr

Procédé

X

-

C'est sous cette forme que la plupart des problèmes de régulation sont abordés, modélisés et résolus. On parle de système uni-boucle mono-variable. Points faibles et limites de cette boucle : 1. W et Xm doivent être « comparables » donc s'exprimer dans la même unité. Nous les exprimons en % de l'étendue de la mesure = étendue de la consigne. 2. Il faut une chaine de mesure d'une bonne exactitude pour satisfaire le fait que Xm = X lorsque rapportés dans la même gamme. Attention, Xm et X n'ont jamais la même unité. 3. La chaine n'agit que sur une grande incidente. Une stratégie de régulation mieux adaptée tenant compte de la (les) perturbation(s) peut être envisagée. 3.3. Autres chaines On rencontre des chaines de régulation ouverte. La grandeur perturbatrice agit sur la grandeur réglante. Cette boucle est très rapide mais pas précise. Chaines multi-boucles : Une (plusieurs) chaine(s) ouverte(s) peut(peuvent) compléter une boucle fermée, principalement pour anticiper l'évolution d'une (plusieurs) perturbation(s) en agissant directement sur l'organe de réglage. ==> régulation mixte Deux chaines fermées sont imbriquées en maitre / esclave. ==>

régulation cascade

Il existe des procédés complexes à deux ou plus consignes (entrées) et/ou deux ou plus grandeurs réglées (sorties). ==> régulations multi-variables etc ...

4. Contrôle Industriel & Régulation Automatique Pour satisfaire à la problématique d'une régulation, le technicien doit : ➢ appréhender le procédé, le(s) fluide(s) et les réactions mis en jeux ; ➢ choisir les instruments ; ➢ les mettre en communication ; ➢ décider d'une stratégie de régulation et la régler ; ➢ intégrer les sécurités nécessaires.

Illustration 1: Régulateur de Watt

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