Les fonctions du contrôle commande des procédés sont avant tout d'assurer la surveillance et la maîtrise du procédé. La surveillance du procédé s'effectue par l'acquisition des mesures sur le site et la transmission de ces mesures jusqu'à la salle de contrôle où elles seront visualisées par l'opérateur. La mesure est réalisée au moyen de capteurs-transmetteurs et l'évolution du procédé au moyen d'actionneurs - en général des robinets automatiques.
La qualité de la mesure est liée à la qualité du capteur-transmetteur. Les capteurs doivent être régulièrement étalonnés. On vérifiera notamment que l'information fournie par le capteur correspond à la mesure effectuée. Cette vérification intervient avec une périodicité d'autant plus fréquente que la mesure est sensible pour la qualité de la production ou pour la sécurité de l'installation. Les principales mesures portent sur la température, le débit, le niveau et la pression.
--> Capteur-transmetteur de débit : le capteur ci-dessous est un débitmètre à flotteur avec entraînement du système de transmission sous forme magnétique. Il mesure ici un débit d'air et transmet la mesure sous forme d'intensité 4 à 20 mA. La mesure est donc transmise de manière continue.
--> Détecteurs de seuil : parfois, il n'est pas nécessaire de connaître la valeur de la mesure mais de repérer un seuil uniquement. Des détecteurs peuvent alors être mis en oeuvre. Ainsi, les bacs de stockage de produits pourront être équipés d'appareil détectant des niveaux hauts et bas : la photo ci-dessous représente un détecteur de niveau haut à lames vibrantes.
--> Chaînes de mesure : Elles permettent d'effectuer l'étude de certains capteurs et capteur-transmetteurs industriels. Sur une chaîne de mesure, l'objectif est d'étudier la transmission de l'information portant la mesure vers un autre appareil, en l'occurrence un indicateur. La linéarité du signal et les procédures d'étalonnage sont abordées. La photo ci-dessous représente la chaîne de mesure de pression :
Actionneurs :
Un actionneur permet d'assurer l'évolution du procédé dans le sens souhaité. Une vanne de régulation constituée par un robinet asservi à un servomécanisme en général pneumatique permet le réglage de débits liquides ou vapeurs.
--> Robinet automatique de réglage : en bleu, on reconnaît le servomoteur dans lequel une pression va être installée.
Cette pression ne permet pas à elle seule de garantir une ouverture constante de la vanne. Dans le milieu industriel, le servomoteur est doté d'un positionneur qui agit comme un régulateur d'ouverture. La pression est ajustée dans le servomoteur de façon à ce que la commande d'ouverture soit effective.
Les vannes de régulation sont des actionneurs continus puisque l'ouverture du robinet varie de 0 à 100% de façon continue. Il existe également d'autres types de vannes appelées des vannes Tout ou Rien. Ces vannes sont soit totalement ouvertes, soit totalement fermées. Elles assurent sur les procédés des fonctions utilitaires (mise en service de fluides, ...) ou des fonctions de sécurité (isolement d'appareil, ...).
--> Robinet Tout ou Rien: le servomoteur (en noir) est de taille plus réduite que dans le cas des vannes de régulation car la pression de service est en général plus élevée (couramment 6 bar).
De façon générale, un actionneur permet de modifier l'état du procédé. Parmi les actionneurs Tout ou Rien, on compte également les moteurs (de pompes, d'agitateurs, ...).
La régulation continue :
La boucle de régulation fermée constitue la base de l'automatique continue. Elle est constituée d'un capteur-transmetteur qui mesure en permanence la grandeur réglée. Cette mesure est transmise à un régulateur. Le régulateur compare la mesure à la consigne (valeur optimale de fonctionnement de la grandeur réglée), décide de la meilleure correction à apporter au procédé grâce à une loi de commande, en général P.I.D., réglée correctement et transmet cette correction à la vanne de régulation. La vanne de régulation exécute l'ordre donné par le régulateur, modifie ainsi le débit qu'elle contrôle (la grandeur réglante). Cette modification de l'état du procédé doit contribuer à ramener le plus efficacement possible la grandeur réglée à la valeur de consigne.
--> Chaînes de régulation : La construction d'une telle boucle, le réglage de la loi de commande, le rôle des actions P.I.D. sont étudiés sur ces TP. Les photos ci-dessous représentent une régulation de Niveau et une régulation de Débit.
Les automatismes :
Pour assurer des fonctions de sécurité ou des fonctions utilitaires, on installe des détecteurs et des actionneurs Tout ou Rien. La gestion de ces appareils sera assurée par des programmes combinatoires ou séquentiels (type Grafcet)
--> Automates Programmables : Les étudiants font l'apprentissage de ce type de programmation sur des Automates April 2000 munis d'une carte 12 entrées logiques (détecteurs) et 8 sorties logiques (actionneurs). Les capteurs permettant de vérifier les programmes écrits sont des interrupteurs et les actionneurs sont simulés par des lampes. L'élaboration du programme s'effectue sur ordinateur en utilisant le logiciel de configuration adapté.
Toujours en simulation, une nouvelle catégorie de maquettes est en cours de réalisation. Ces maquettes permettent de mieux comprendre le fonctionnement de tels automatismes dans le domaine des procédés chimiques. Elles permettent également de réaliser des câblages et de constituer ainsi physiquement des ensembles automatiques.
L'interface homme machine :
Actuellement, la gestion des procédés est assurée par des systèmes numériques de contrôle commande. L'ordinateur n'est plus uniquement l'interface de programmation que l'on étudie avec les automates programmables mais une véritable interface de communication entre l'opérateur et l'unité qu'il est chargé de gérer.
--> Structure générale d'un système numérique de contrôle commande de procédé :
Les capteurs et actionneurs sont reliés à un appareil appelé Automate Programmable Industriel. L'opérateur communique avec l'API à travers l'ordinateur. Il est ainsi renseigné sur l'état du procédé et peut le faire évoluer en décidant de la manoeuvre de certains actionneurs. L'API gère le programme, assure le fonctionnement automatique des boucles de régulation P.I.D., surveille les seuils liés à la sécurité et assure la mise en sécurité graduée; du procédé.
--> Système Teleperm : il s'agit d'un système assez ancien et en voie de disparition, très complet que nous a cédé la société Elf Aquitaine Exploration Production France de Lacq (64). Les deux armoires sur la photo constituent le coeur du système : à gauche, l'unité centrale qui permet de gérer le programme, les claviers et les postes de conduite, à droite, les cartes interfaces du procédé (c'est sur ces cartes que sont câblés les capteurs et actionneurs).
--> Système SIMATIC S7-300 de SIEMENS : cet Automate Programmable Industriel est le centre de l'atelier de conduite des procédés du département. Il gère seul le fonctionnement de 3 unités de tailles semi-industrielles. Il a été acquis en septembre 1998. L'automate comporte 8 cartes d'entrées analogiques (soit 64 capteurs transmetteurs analogiques), 4 cartes de sorties analogiques (permettant de piloter 16 vannes de régulation), 2 cartes de sorties logiques (soit 32 actionneurs TOR, vannes TOR ou moteurs), 6 cartes d'entrées TOR (48 entrées logiques, état des vannes TOR, détecteurs de seuil, interrupteurs, etc). Au total donc 160 points de mesure et de contrôle répartis sur les trois unités.
Cet Automate est connecté à un serveur informatique qui distribue les données procédé à 3 postes de supervision affectés à chacune des 3 unités automatisées.
--> Unité 1 : Cette unité constituée de 2 colonnes d'humidification d'air et d'une section de distribution de fluides (eau et air) est située dans une salle standard à proximité de la salle de contrôle. Cette installation nous a été donnée par la société Elf Aquitaine Exploration Production France en janvier 1998. L'installation a été remontée, recâblée et est actuellement remise en fonctionnement.
--> Unité 2 : C'est l'unité la plus ancienne parmi les 3. Construite en 1987, elle a été remodelée en 1994 pour être adaptée aux normes ADF. Elle est localisée dans le hall anti-déflagrant du département.
--> Unité 3 : en cours de construction. Il s'agit d'illustrer le fonctionnement et la conduite d'un atelier de chimie fine. Cet atelier est organisé autour d'un réacteur industriel de 60 L. Des réservoirs et des pompes assurent le stockage des réactifs et des produits. Le réacteur est surmonté d'une colonne de 2 mètres en verre, le garnissage est de type structuré et nous a été donné par la société Sulzer Chemtech. La condensation des vapeurs s'effectue au choix grâce à de l'eau de refroidissement ou à de l'eau glycolée. Le chauffage dans la double-enveloppe du réacteur se fait au moyen de vapeur 2 bar. L'investissement en matériel sur cette installation approche les 200 000 francs.
