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Contrôle - Commande de Procédés P. Bernada Contrôle - Commande de Procédés Chap

Contrôle - Commande de Procédés P. Bernada Contrôle - Commande de Procédés Chapitre I : introduction Q Te, q Ts, q vapeur vanne réflexion 4 ■ Spécifications des produits ■ Sécurité ■ Environnement, normes ■ Contraintes opérationnelles ■ Economique. Nécessité du contrôle dans l industrie chimique (i) 5 ■ Quels sont les objectifs du contrôle - commande de procédés ? Contrôle Usine Objectifs à atteindre Sécurité bénéfices Environnement... Perturbations Economie du marché, climat, accidents... Nécessité du contrôle dans l industrie chimique (ii) 6 Définition d un procédé ■ Du point de vue de l automaticien Procédé = ensemble complexe d appareillage fonctionnant dans le but d obtenir un produit ou un service sorties Procédé entrées ■ entrées = grandeurs incidentes (susceptibles de modifier les sorties) : – manipulée : commande – non manipulée : perturbation ■ sorties = grandeurs à maîtriser 7 Exemples ■ Stockage de produit liquide dans un réservoir ■ Générateur de vapeur h vanne Procédé h Procédé P T qeau qvap qcomb qair h qvap P, T qeau qcomb qair h e q s q e q s q 8 Les trois étapes de la régulation ■ Rappel sur les objectifs de la régulation : garantir un fonctionnement du procédé conforme à l objectif final, sécurité du personnel, qualité du produit etc… ■ Pour atteindre ce résultat, trois étapes essentielles peuvent être distinguées : ! l observation des grandeurs à maîtriser, " la détection éventuelle d un écart par rapport à l objectif, # l action sur une ou plusieurs des grandeurs incidentes ■ La suite de ces trois étapes est appelée chaîne de régulation 9 Exemple ■ Régulation de température. Objectif : maintenir Ts constant ■ Observation : la température Ts est mesurée par le dispositif d observation ■ Détection de l écart éventuel et réflexion sur les lois d évolution à mettre en œuvre ■ Action : ouverture de la vanne modifiant l apport de chaleur Q, donc Ts. Q Te, q Ts, q vapeur vanne réflexion Procédé Q Ts Te 10 Les moyens de la régulation : observation d un procédé ■ En général, les grandeurs physiques qu il faut contrôler ne sont pas directement observables. ■ Afin d obtenir des informations fiables et quantifiables et quantifiables pour le contrôle, on doit donc disposer de grandeurs auxiliaires dont les variations sont en rapport avec celles des grandeurs à maîtriser. ■ ⇒ Utilisation d un appareil de mesure spécifique pour chaque grandeur à observer. ■ La grandeur auxiliaire doit être : – facilement exploitable afin de permettre d élaborer un signal représentatif de la grandeur à observer, – pouvoir être transmise sur une grande distance afin d être utilisée par le dispositif de régulation placé dans une salle de contrôle 11 Mesure d une grandeur ■ Les principales grandeurs à mesurer : – Pression, débit, température d un fluide en mouvement – Niveau, masse volumique, pH, composition d un liquide stocké dans un réacteur – Déplacement, vitesse, accélération pour des organes mécaniques en mouvement (moteurs, vannes etc…) ■ La mesure peut être locale. L appareil de mesure est alors constitué : – d un capteur : élément sensible à la grandeur que l on veut mesurer – d un indicateur : dispositif commandé par le capteur qui permet la visualisation de la mesure. ■ Exemple : le rotamètre (débimètre à flotteur) débit flotteur h Calibrage h=f(q) capteur : flotteur indicateur : règle graduée indiquant h 12 Transmission de la mesure ■ La mesure peut aussi être transmise à distance. Dans ce cas, l appareil de mesure doit servir de convertisseur de signal et il est constitué : – d un capteur – d un transmetteur, dispositif permettant d élaborer un signal image de la mesure. ■ Exemple du rotamètre : signal de mesure transmetteur aimant entrée sortie tige fourchette pouvant tourner autour d un axe fixe flotteur débit niveau du flotteur position de la tige angle de rotation de la fourchette tension délivrée par le transmetteur 13 Nature des signaux transmis ■ Du point de vue industriel, la nature du signal transmis dépend de – son aptitude à être transmis sur de longues distances, – sans distorsion au cours du transport, – en conservant un niveau d énergie compatible avec un rapport signal/ bruit important. ■ On distingue deux types de signaux : – pneumatiques, où l information est véhiculée par la pression de l air dans une canalisation, – électriques, où l information est véhiculée par une tension ou une intensité de courant. ■ Les plus commodes à utiliser sont les transmissions électriques, sauf pour des raisons de sécurité notamment en atmosphère déflagrante. 14 Caractéristiques du dispositif de mesure ■ Les niveaux extrêmes des signaux sont toujours normalisés et on raisonne la plupart du temps en pourcentage de l échelle du transmetteur. ■ Table de correspondance générale des transmetteurs : ■ Les principales caractéristiques d un dispositif de mesure doivent être : – précision et linéarité (mesurer une masse de 1kg au mg près est difficile), – le domaine d utilisation (un débit de lait ne se mesure pas comme un débit d essence), – les conditions d emploi en pression, température, etc… (une sonde classique de pH mètre ne résiste pas à une pression de 15 bars) Echelle du transmetteur 0 % 100 % Des signaux pneumatiques 0.2 bar 1 bar Valeurs extrêmes Des signaux électriques 4 mA 0 mA 0 V 1 V 20 mA 20 mA 10 V 5 V 15 Exemple de non linéarité ■ Dans la plupart des cas on cherche à obtenir une relation linéaire entre la grandeur à mesurer et le signal de mesure : ■ Exemple : Mesure de la T° d un four entre 500°C et 1000°C à l aide d un thermocouple platine 0 100 100 signal de mesure (%) grandeur à mesurer (%) 500 1000 e (mV) T (°C) 4.2 9.6 M (mA) 4.2 9.6 e (mV) 4 20 M (mA) 4 20 500 1000 T (°C) Cependant, les variations du signal du transmetteur ne varient pas toujours linéairement par rapport aux variations de la grandeur à observer. b) Courbe fournie par le constructeur du thermocouple a) Objectif : obtenir une caractéristique M/T linéaire c) ⇒ mise en œuvre d un dispositif interne au transmetteur 16 Commande dun procédé ■ Lorsque les grandeurs à maîtriser s écartent des valeurs désirées, il est nécessaire d agir sur certaines grandeurs incidentes convenablement choisies. ■ On utilise alors des appareils appelés actionneurs. Exemple : – Pour régler un courant électrique : alimentation de puissance. – Pour modifier un débit ou une pression de fluide : vannes. ■ Les types de vannes les plus rencontrés : – Vannes Tout Ou Rien (T.O.R.), » ne fonctionnent que sur deux états : ouvert ou fermé, » coût faible. – Vannes progressives à commande pneumatique, » Les plus utilisées, » permettent un réglage plus fin que les T.O.R., » les plus onéreuses. 17 Vannes progressives à commande pneumatique ■ Description de la vanne ■ vanne N.F. : vanne dont l ouverture augmente quand le signal de commande croît, ■ vanne N.O. : vanne qui se ferme d autant plus que le signal de commande augmente. x P vanne Normalement Ouverte (N.O.) Q x P Q vanne Normalement Fermée (N.F.) 18 Choix dun organe de puissance ■ On ne peut pas utiliser des techniques avancées de contrôle- commande si les organes de mesure et de commande n ont pas été choisis en adéquation avec le procédé et en fonction des conditions d exploitation imposées. ■ Quelques critères de choix d un actionneur : – considérations économiques – sécurité (exclure les actionneurs électriques en zone déflagrante) – contraintes opérationnelles : » le fluide véhiculé à travers la vanne peut être : • corrosif, • chargé de particules solides (érosion, encrassement), • cristalisable (dépôt) • maintenu à P et T° variables » conditions d écoulement (laminaire, turbulent) » l environnement (possibilité de vibration des conduites, température variables qui dilate les matériaux ⇒ dysfonctionnement de la vanne) 19 Notion de CV et de coefficient de réglage ■ CV= Coefficient de Vanne. Grandeur utilisée afin de pouvoir choisir et comparer les capacités des différentes vannes. ■ Pour les fluides incompressibles : avec : Q = débit de fluide (m3/h), d = densité du fluide par rapport à l eau, ΔP = différence de pression du fluide à travers la vanne (bar) ■ Pour les fluides compressibles : il faut tenir compte de la température et des pressions en amont et en aval de la vanne. ■ Par définition, le coefficient de réglage (ou rengeabilité) d une vanne est donné par : ■ Ce coefficient permet de définir la plage de fonctionnement normale de la vanne. P d Q 156 . 1 CV Δ ⋅ ⋅ = i min i max i min i max Q Q CV CV r = = 20 Terminologie, représentation normalisée ■ Schéma du procédé : On utilise le Plan de Circulation des Fluides (P.C.F.) : schéma faisant apparaître les éléments, uploads/Management/ controle-comande.pdf