Regulation

BOUCLES DE REGULATION ET CONTROLE DES PROCEDES

BOUCLEC DE REGULATION ET CONTROLE DES PROCEDES

•

Introduction – Objectif du contrôle des procédés

•

Régulation en boucle fermée





•

Boucles de régulation avec cascade







•

Régulation de la puissance thermique d’un échangeur Régulation de ratio Utilisation de sélecteurs de signaux

Régulation prédictive en boucle ouverte



•

Principe de la régulation en split range Exemple de la régulation de pression d’un ballon séparateur Différentes possibilités de partages d’

Opérations sur les signaux de régulation




•

Principe de la cascade Exemple de la régulation de chauffe d’un four Exemple de la régulation du niveau d’un ballon Modes de fonctionnement d’une cascade Passage en mode cascade Ouverture d’une cascade

Régulation en split range




•

Principe de la boucle fermée simple Régulation du niveau Régulation de température Interactions entre plusieurs boucles simples

Principe de la régulation prédictive Compensation prédictive sur une colonne de distillation

Commande multivariable

• Combinaison de structures de régulation



Introduction : objectif d’un système de contrôle de procédé



Les objectifs d’un système de contrôle sur une installation fonctionnant en continu , sont les suivantes :  L’asservissement permettant la modification des consignes opératoires  La régulation qui fait face aux perturbations  La sécurité par alarmes et par automatismes  L’optimisation du fonctionnement de l’installation



Les pages qui suivent traitent essentiellement des deux premiers points cidessus et les exemples proposés ne sont que quelques unes des possibilités rencontrées .



Il existe en effet souvent plusieurs configurations possibles de régulation pour contrôler un même procédé. Aucune n’est parfaite dans tous, les cas , et les avantages et les inconvénients de chacune apparaissent en fonction des critères tels que :  Le temps de réponse du procédé  La nature des perturbations incidentes  Leur amplitude et leur fréquence

I.



Régulation en boucle fermée 1. principe de la boucle fermée une boucle de régulation ( fermée ) est caractérisée par un actionneur de contrôle ( vanne automatique ou équivalente )dont l’action modifie la mesure du capteur .Elle peut être symbolisée de la façon suivante : consigne

régulateur

Signal de mesure Signal de commande

Pour l’exemple d’une régulation de débit, toute modification de l’ouverture de la vanne automatique a une incidence sur la valeur du débit de fluide qui passe dans la ligne .  De nombreux phénomènes naturels sont régulés par une boucle fermée. De la même façon, le positionneur d’une vanne est lui aussi un régulateur fonctionnant en boucle fermée dans lequel : 

 Mesure  Consigne  Signal vers vanne

= position de la tige de vanne = signal venant du régulateur, = signal pneumatique vers le Verso-moteur.

2. REGULATIONS DE NIVEAU a. Niveau d’un ballon de flash consigne

régulateur

Signal de mesure Signal de commande



Le niveau de liquide dans ce ballon est contrôlé par la vanne de sortie liquide :  Sur la montée de niveau, le LC augmente l’ouverture de la vanne,  Sur baisse de niveau, le LC réduit l’ouverture de la vanne.



Les perturbations de débit liquide entrant dans le ballon peuvent être dues à:  La variation du débit global à l’entrée  La variation de la température du flash  La variation de la pression du flash.



Toute variation du niveau va donc se traduire par une variation plus ou moins brusque du débit liquide sortant du ballon. Si de telles variations se débit sont inacceptables en aval, une cascade LC FC permet d’en atténuer les variations trop brusques.

b. Niveau de bâche de dégazage d’eau de chaudière RO

Vapeur BP consigne

régulateur

Signal de mesure Signal de commande



les variations de la demande en eau alimentaire sont modulées par le FC en aval de la pompe et le niveau de la bâche est une conséquence de ces variations . pour assurer un niveau constant, le contrôleur de niveau LC admet un débit d’eau plus ou moins grand.  Sur la montée de niveau, le LC diminue l’ouverture de la vanne,  Sur baisse de niveau, le LC augmente l’ouverture de la vanne.

3. REGULATIONS DE TEMPERATURE a. By-pass d’un échangeur Fluide chaud

Fluide à réchauffer

TC 

La régulation est assurée par by-pass partiel de fluide dont on régule la température..  Sur une augmentation de la mesure de température, le TC augmente l’ouverture de la vanne de by-pass.  Sur une diminution de la mesure de température , la TC diminue l’ouverture de la vanne de by-pass.

b. Régulation de la puissance de chauffe d’un four consigne régulateur Signal de mesure Signal de commande

TRC

consigne

combustible 

Dans un four, la température de sortie du produit chauffé (fluide du procédé) peut être régulée par ajustement du débit de combustible consommé au brûleur.



Sur une augmentation de la mesure de température , le TC diminue l’ouverture de la vanne de combustible.



Sur une diminution de la mesure de température, le TC augmente l’ouverture de la vanne de combustible.

II.



Boucles de régulation avec cascade 1. principe de la boucle de régulation cascade Alors qu’une régulation en boucle fermée simple fait intervenir trois signaux, deux entrées et une sortie :  La mesure notée ( m )  La consigne notée ( C )  Le signal de commande vanne noté ( SV )



Une structure en cascade est constituée de deux boucles de régulation.  La boucle primaire avec régulateur maître  La boucle secondaire avec régulateur esclave.



En mode cascade, le signal de sortie du régulateur primaire constitue la consigne du régulateur secondaire.

Mesure :m1

Mesure :m2 Signal SV1

Régulateur primaire

Consigne : C1

Régulateur maître

Signal SV2

Régulateur secondaire

Consigne : C2

Régulateur esclave

2. Exemple de la régulation de chauffe d’un four consigne régulateur Signal de mesure Signal de commande

TRC

consigne

PC

combustible



La cascade TC

PC comprend deux boucles de régulation :

 La boucle secondaire du PC ( ou régulateur esclave ),  La boucle primaire du TC ( ou régulateur maître ). 

Le débit de gaz aux brûleurs est lié à la pression de gaz immédiatement en amont des brûleurs. Si cette pression est constante, alors le débit de gaz est relativement constant.

a. Rôle de la boucle secondaire 

Si la pression du réseau gaz varie , la pression des brûleurs aussi. Le régulateur de pression corrige alors l’ouverture de la vanne de gaz pour stabiliser la pression à la valeur de consigne. En conséquence la température de sortie du four n’est pas modifié. La boucle secondaire est dite aussi boucle rapide parce qu’elle amortit rapidement les effets des perturbations locales de pression. Néanmoins , de nombreuses autres perturbations que le PC ne peut pas contrer sont de nature à faire varier la puissance de chauffe du four et par conséquent la température de sortie. Ces perturbations ne peuvent pas être contrées par cascade et nécessitent des algorithmes de régulation plus sophistiqués.

b. Rôle de la boucle primaire 

La boucle primaire régule la température de sortie du four par modification de la consigne de pression du gaz de chauffe .  Sur une baisse de température sortie four, le TC augmente la consigne du PC. Le PC constate alors une mesure de pression plus faible que la consigne et rattrape l’écart mesure-consigne en augmentant l’ouverture de la vanne de gaz.

3. Régulation d’un niveau d’un ballon

LC

FC



La cascade LC

FC comprend deux boucles de régulation :

 La boucle de débit secondaire du FC ( ou régulateur esclave ),  La boucle de niveau primaire du LC ( ou régulateur maître ). 

La colonne de distillation en aval du ballon est un procédé qui, par nature, s’adapte difficilement aux variations brusque de débit d’alimentation.



La boucle de débit assure un débit constant ou ne subissant que des variations lentes. La boucle du niveau évite les dérives lentes qui tendraient à remplir ou vider le ballon. Dans le cas où le volume du ballon est grand par rapport au débit de liquide, un niveau parfaitement constant n’est pas un impératif absolu. Au contraire, le niveau peut amortir les variations de débit liquide venant de l’amont du procédé.



Ce régulateur de niveau peut être un régulateur avec bande morte avec lequel le débit reste constant tant que le niveau se situe entre 2 seuils précédemment définis ( 30 et 60% de l’échelle ).

c. Rôle de la boucle secondaire 

Si la pression du réseau gaz varie , la pression des brûleurs aussi. Le régulateur de pression corrige alors l’ouverture de la vanne de gaz pour stabiliser la pression à la valeur de consigne. En conséquence la température de sortie du four n’est pas modifié. La boucle secondaire est dite aussi boucle rapide parce qu’elle amortit rapidement les effets des perturbations locales de pression. Néanmoins , de nombreuses autres perturbations que le PC ne peut pas contrer sont de nature à faire varier la puissance de chauffe du four et par conséquent la température de sortie. Ces perturbations ne peuvent pas être contrées par cascade et nécessitent des algorithmes de régulation plus sophistiqués.

d. Rôle de la boucle primaire 

La boucle primaire régule la température de sortie du four par modification de la consigne de pression du gaz de chauffe .  Sur une baisse de température sortie four, le TC augmente la consigne du PC. Le PC constate alors une mesure de pression plus faible que la consigne et rattrape l’écart mesure-consigne en augmentant l’ouverture de la vanne de gaz.

III.

REGULATION EN SPLIT - RANGE 1. principe de la boucle de régulation split-range



C’est une boucle de régulation qui permet de commander la position de plusieurs vannes ou organes de réglage à partir d’un seul régulateur.



Comme l’indique une traduction possible (Etendue partagée ), le passage de la position ouverte à la position fermée des organes de réglage ne correspond qu’à une partie seulement de l’échelle (0 – 100% )du SV du régulateur. Celle-ci est partagée entre les différents organes de réglage.



En régulation classique (électrique ou pneumatique). C’est le positionneur de chaque vanne qui permet ce type de régulation : un seul signal (SV du régulateur) est envoyé simultanément sur les différents organes de réglage. En numérique le split-range peut être calculé.

2. Régulation de pression d’un ballon séparateur Engazage

Dégazage

PC

LC

   

Le partage de l’étendue de l’échelle se fait de la façon suivante : Entre 0 et 50% de l’échelle, la vanne 2 se ferme . Entre 50 et 100% la vanne 1 s’ouvre. La valeur So indiquée sur le schéma correspond donc à la suivante  Vanne 1 fermée  Vanne 2 ouverte à 60%



Cela signifie pour le procédé que, devant l’excès de vapeurs à condenser, la pression ne peut être maintenue que par dégazage. Sortie %

100

75

Vanne 2

50 Vanne 1 25 Signal régulateur % 0

0

So25

50

75

100

•

REGULATION PRESSION D’UNE COLONNE DE DISTILLATION

PC

B

A Torche C

LC

LC

FC

100 %

A C •

split-range vers les vannes A,B,C

B 100 %

IV.

OPERATIONS SUR LES SIGNAUX DE REGULATION 

Sur les signaux de régulation ( mesure , consigne , signal de commande ) il est possible ( en technologie classique et a fortiori en numérique ) de réaliser des opérations diverses.    



Extraction de racine carrée, Addition , soustraction , Multiplication , rapport , Sélecteur (Choix de plus grand ou du plus petit )

En analogique, les opérations sont effectuées par des modules capables de traiter les signaux électriques ou pneumatiques : en numérique , elles sont effectuées directement.

1. régulation de la puissance thermique d’un échangeur régulateur

Consigne De puissance thermique

√ FT TT1

TT2

Fluide chauffant



la puissance thermique de l’échangeur est proportionnelle :  au débit de fluide chauffant  A la différence de température entrée / sortie du fluide chauffant



Le régulateur de puissance thermique effectue donc l’opération suivante FT * ( TT1 – TT2 ) * chaleur massique Et compare le résultat à la consigne de puissance thermique.

2. régulation de ratio Air du ventilateur

Consigne De ratio De débit FT √

√

FT

∑

Fuel gaz

FFC

√ FT

Air vers brûleur Fuel oil



Afin de conserver l’excès d’air de combustion dans un four , le régulateur de proportion( ou de ratio ) ci-dessus maintient constant et égal à la consigne de ratio imposée le rapport suivant :

Débit d’air Débit de combustible

 

Il peut être symbolisé par FFC ( flow fraction controller ), Pour cela il doit :

 Calculer le rapport des deux mesures de débit qui lui parvient  Comparer ce rapport à la consigne affichée sur le régulateur  Modifier en conséquence le signal –vanne qui , ici , commande des ventelles situées sur le débit d’air vers le brûleur.

3. Utilisations de sélecteurs de signaux • Sécurité de combustion sur un four 

Pour éviter d’opérer un four au dessous de son minimum technique , un sélecteur haut est installé sur le signal de commande de la vanne automatique. consigne régulateur

Signal de mesure Signal de commande

TC

Minimale technique

>

FC

combustible

Sélecteur haut 

Seul le signal le plus grand est pris en considération . Ainsi , lorsque la demande de combustible devient inférieure au minimum technique , c’est la valeur du mini-technique qui commande la vanne automatique.



Les régulateurs sont aussi utilisés dans la régulation des fours et des chaudières pour s’assurer que la combustion est toujours en excès d’air quelles que soient les variations de régime.

V.

REGULATION PREDICTIVE 1. Principe de la régulation prédictive 

Les régulations correctives ou en feedback sont les plus répandues FONCTION DE REGULAYION FEEDBACK

∑

-

CONSIGNE

+ FT

Variable de commande

Variable régulée

PROCEDE



Ici , la variable contrôle , en l’occurrence la température de sortie du gasoil , obéit au solde global de l’influence de la variable manipulée et des perturbations . Cette évolution est mesurée par un transmetteur et transmise au régulateur qui génère le signal de commande de la vanne régulatrice d’eau froide .



Dans une régulation prédictive ( dite en feedforward ) , un transmetteur mesure l’évolution de la variable perturbatrice et , en fonction de cette évolution , un calcul est effectué pour déterminer la valeur adéquate du signal de contrôle. Calcul du Feed forward

Référence

Appareil de mesure Perturbation Variable de commande

PROCEDE

Variable régulée



Un tel schéma prend en compte les perturbations avant action sur la variable régulée et améliore ainsi le contrôle de celle-ci . Cette technique est plus complexe car elle nécessite une meilleure connaissance du procédé ; elle est donc aussi plus coûteuse.



Ainsi , dans l’échangeur précédent , si le débit de gasoil constitue la principale perturbation , un asservissement par feedforward va consister à mesurer ce débit et , en fonction de sa variation , modifier le signal de commande de la vanne.*



En régulation mono variable , elle ne peut , d’autre part , pas être utilisée seule car la prise en compte des variations de la variable perturbatrice ne préjuge pas de la stabilité des autres . Cela amène nécessairement des fluctuations de la variable régulée . Cet inconvénient est éliminé par l’utilisation de boucles mixtes , telles que ci-dessous.

Calcul de Feed fordward

FONCTION DE REGULAYION FEEDBACK

Détection

-

∑

Compensation D’entrée

+ ∑

-

+ FT

TE

Gazole chaud

Gazole froid

Eau de réfrigération

2. Compensation prédictive sur une colonne de distillation 

Pour maintenir les puretés des produits d’une colonne de distillation , il est nécessaire que la puissance thermique du rebouilleur QR soit proportionnelle au débit de charge ( dont la composition est supposée inchangée dans cet exemple ) .

LC

LC

TC DISTILLAT

FC

FC

résidu

CONSIGNE DE RATIO QR A 

Le régulateur XC en compensation prédictive tient compte des modifications du débit de charge. Il multiplie la mesure du débit de charge A par le ratio QR / A pour obtenir la valeur de QR qui est envoyée en consigne du FC de vapeur de rebouillage.  Sur une augmentation de débit de charge , la consigne du FC de vapeur est augmentée en proportion du débit  Si on désire une puissance thermique plus importante du rebouilleur , il suffit d’augmenter la consigne de ratio QR / A



Le régulateur XC est muni d’un temps de retard pour respecter la dynamique de la colonne de distillation : en effet l’augmentation trop brutale et trop rapide du débit de vapeur au rebouilleur provoquerait un déréglage qui pourrait perturber la colonne.

VI.

COMMANDE MULTIVARIABLE 

Un système ayant un caractère multivariable est un procédé qui possède plusieurs entrées et plusieurs sorties et dans lequel la modification d’une seule entrée provoque la variation simultanée de plusieurs sorties. Ou dans lequel la variable de sortie dépend de celle de plusieurs variables d’entrée.



Ainsi , dans un réacteur d’hydrotraitement, l’exothermicité des réactions nécessitent , pour permettre le contrôle de profil de température et d’ajuster :

 La température d’entrée (qui est la température de sortie du four de préchauffage)  Le débit d’injection de gaz hydrogéné entre les lits successifs. 

Le régulateur multivariable utilisé permet d’obtenir un profil plat de température par action simultanée sur toutes ces grandeurs de commande. Température d’entrée

Régulateur multivariable FC FC

FC

TC

FC

Combustible

VII.

COMBINAISON DE STRUCTURES DE REGULATION 

Niveau de ballon de chaudière de récupération : régulation des débits d’eau de chaudière vers 2 fours distincts avec décalage entre la charge des deux fours et prise en compte de la consommation de vapeur.

FC

FC ∆

TC

Σ

TC

FC

FC

LC



Positionnement d’une vanne de sécurité vers torche

Gaz de tête de la colonne Fluide réfrigérant Consigne = 45 %

YIC

0 – 50 %

∑

50 – 100 %

PC

Vanne de sécurité Vers torche LC

FC