Sujet. Optimisation de la régulation des paramètres humidité et densité sur des lignes d extrusion de croquettes

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Jean-Michel Giroux
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1 Sujet Optimisation de la régulation des paramètres humidité et densité sur des lignes d extrusion de croquettes

2 Présentation du projet Masterfoods sur le site Bokros en Hongrie fabrique des aliments secs pour animaux de compagnie. Ces croquettes sont obtenues par un procédé d extrusion puis de séchage. Procédé relativement instable rendant le contrôle des paramètres humidité et densité du produit difficile. Le contrôle de ces paramètres et cependant crucial pour des raisons de qualité et de coût du produit fini.

3 Les enjeux En terme de qualité En terme de coût Trop humide risque de moisissure. Trop sec Mauvaises caractéristiques d appétence Trop dense Mauvaise digestibilité + Aspect sous- rempli à l emballage Trop léger Aspect sur-rempli à l emballage Variations importantes de densité Dysfonctionnements des machines d emballage = baisse d efficacité Trop dense Obligation de sur-doser = pertes financières Trop sec Vente de matière première / l eau = pertes financières

Les objectifs Faire une étude de la capabilité des lignes de production de Bokros en terme de contrôle et de régulation de la densité et de l humidité.

4 Les objectifs Faire une étude de la capabilité des lignes de production de Bokros en terme de contrôle et de régulation de la densité et de l humidité. Mise en place des systèmes, prévus dans le cadre du projet «IDP», et relatifs au contrôle de l humidité et de la densité ( densimètres en ligne et régulation automatique de la densité ). Coordonner l ensemble des travaux relatifs à l humidité et à la densité.

5 Procédé d élaboration des croquettes

6 Diagnostic Les mesures manuelles de densité sont trop incertaines et pas assez fréquentes pour assurer un réel suivi de ce paramètre. Les mesures d humidité sont acceptables mais également trop peu fréquentes. La régulation PID des «liquides» est correcte en terme de variation autour de la consigne ( environ +/- 1 % ) et le temps de réponse en boucle fermée et largement suffisant par rapport au temps de réponse du procédé. La régulation PID des poudres est trop incertaine ( le plus souvent elle est mauvaise! ) avec des variations importantes de débit influant sur la densité.

7 Diagnostic ( suite ) La façon de réguler des opérateurs n est pas toujours très judicieuse ( en jouant sur les consignes de manière intempestive sans laisser le temps au procédé de se stabiliser ). La densité des poudres, en provenance de la centrale de broyage et de mixage, varie de manière très significative entre 2 «batch». Le fonctionnement des séchoirs ( lignes 1 et 2 ) n est pas bon. - Mauvaise conception - Mauvaise régulation des températures

8 Travail à mettre en oeuvre Optimiser le dosage des poudres Optimiser les séchoirs des lignes 1 et 2 Mettre en service les densimètres Implanter la régulation automatique de densité

9 Le dosage des poudres

10 Identification des problèmes Compression du produit résiduel dans le silo 2 lors de la décharge du silo 1 vers le silo 2. Vitesse de vis fixe et densité de poudre qui augmente masse de poudre plus importante dans le mixeur. Mauvaise conception du bloc de régulation PID Pas de filtrage sur la valeur de sortie du PID Gain trop élevé Fréquence d échantillonnage du bloc trop rapide Ce bloc privilégie la vitesse à la stabilité alors que le procédé nécessite le contraire

Identification des problèmes (suite) Phénomène de «pompage» observé sur la régulation de poudre lié à des remontées de vapeur du mixeur vers la vis d alimentation Au même titre que le problème

11 Identification des problèmes (suite) Phénomène de «pompage» observé sur la régulation de poudre lié à des remontées de vapeur du mixeur vers la vis d alimentation Au même titre que le problème concernant les variations de densité de poudre entre 2 «batch» énoncé précédemment, ce problème a été identifié très tardivement. Je n ai donc pas pu travailler dessus. Il est pourtant primordial d apporter des solutions rapidement à ces deux problèmes sans quoi aucune régulation automatique n est envisageable à Bokros.

«Solutions» apportées Passer la décharge de 600 Kg à 300 Kg Diminue l impact de la décharge sur la couche résiduelle dans le silo 2 et de ce fait l amplitude des variations cycliques observée sur l

12 «Solutions» apportées Passer la décharge de 600 Kg à 300 Kg Diminue l impact de la décharge sur la couche résiduelle dans le silo 2 et de ce fait l amplitude des variations cycliques observée sur l intensité extrudeur. Donner la possibilité de figer la vitesse de la vis d alimentation et permettre ainsi de «court circuiter» le bloc PID Diminue les variations autour de la valeur de consigne et stabilise le procédé.

13 Les séchoirs (lignes 1 et 2) Rappel des problèmes Mauvaise conception Mauvaise régulation Suggestions pour améliorer ces 2 séchoirs Effectuer les modifications mécaniques préconisées par l expert américain pour améliorer la redistribution d air chaud ( compartimentation du séchoir ) Donner la possibilité de fixer la consigne de débit de gaz des brûleurs de manière à «court-circuiter» l action du PID et permettre ainsi l identification des problèmes. ( problème de PID ou autre problème?). Appliquer régulièrement la procédure de calibrage des débits d air entrant et sortant décrite dans la notice d utilisation du séchoir de la ligne 3

Mise en service des densimètres Travail à effectuer - Coordonner les fournisseurs pour faire «dialoguer» les programmes (densimètres et fonctionnement général de chaque ligne) Problèmes rencontrés -

14 Mise en service des densimètres Travail à effectuer - Coordonner les fournisseurs pour faire «dialoguer» les programmes (densimètres et fonctionnement général de chaque ligne) Problèmes rencontrés - Le programme des densimètres est une boite noire connue du fournisseur uniquement. - Le fournisseur ne connaît pas suffisamment le matériel choisi par Bokros ( type d automates, logiciel de programmation). Mise en place très longue due à de nombreux problèmes liés au programme des densimètres.

15 Mise en place de la régulation prédictive Régulation prédictive : Qu est ce que c est? Un bloc de régulation du type PID amélioré Le caractère prédictif du bloc est donné par l implantation d un modèle de comportement de la ligne d extrusion. L action du bloc de régulation à un instant t est calculée en fonction, des mesures passées, de l état du système à cet instant et aussi de l état futur du système prédit par le modèle. Intérêt de la régulation prédictive : Ce type de régulation est nécessaire dans le cas ou le retard pur d un procédé est du même ordre de grandeur que le temps de réponse en boucle ouverte.

16 Travail pré-implantation à effectuer Système d acquisition des variables du procédé

17 Travail pré-implantation (suite) Les tests incrémentaux L enregistrement des tests incrémentaux permet l identification du procédé et la définition des paramètres du modèle dont dépend la prédiction du régulateur. Ces tests doivent être effectués pour chaque produit car le modèle peut différer en fonction du produit extrudé. Préparation des automates et des écrans de supervision pour l implantation des régulateurs. Faire en sorte que les modes de fonctionnement des régulateurs influent sur le comportement de la ligne ( ajuster les consignes automatiquement, ne pas autoriser les changements des opérateurs etc. ) Permettre la commande des régulateurs des écrans de supervision

18 Régulation mise en place

Résultats Type de régulation Extrudeur Refroidisseur moyenne ecart type moyenne ecart type Opérateur 416,88 10,8609 427,6839 4,89 Rien toucher 420,5137

19 Résultats Type de régulation Extrudeur Refroidisseur moyenne ecart type moyenne ecart type Opérateur 416,88 10, ,6839 4,89 Rien toucher 420,5137 8, ,2508 6,66 Régulation extrudeur 416,9853 8,51 428,4824 2, operateur regulation rien toucher

20 Coordination du projet Coordination des tâches : Master timing MAY JUNE JULY AUGUST P5 P6 P7 P8 P9 Job to do By W2 W3 W4 W1 W2 W3 W4 W1 W2 W3 W4 W1 W2 W3 W4 W1 W2 W3 W4 PLC data acquisition in Excel file Masterfoods control team Upgrade drymix regulation line 1 Masterfoods control team Upgrade liquids regulation line 1 Masterfoods control team Densimeter calibration Masterfoods I/O list for Predictive controller implementation in Quantum Adersa Prepare I/O for implementation Masterfoods control team Trials line 1 ( noise evaluation + incremental steps) Masterfoods Identification, model set up and simulation of the controller line 1 Adersa Trials line 2 ( noise evaluation + incremental steps) Masterfoods Intouch screen based on LCV application line1 and line 2 Masterfoods control team Implementation of the controller in the Quantum line 1 and line2 Masterfoods control team Help in implementation line 1 and 2 + test of the regulation line 1 Adersa Identification, model set up and simulation of the controller line 2 Adersa Set up of the system line 2+ test of the regulation line 2 Masterfoods Trials line 3 ( noise evaluation+ incremental steps ) Masterfoods Identification, new model and new regulation controller Adersa density regulation start from this week timing not defined yet, possible tests during this period

21 Conclusion Les résultats ne sont pas encore là mais la voie est ouverte et les outils sont aujourd hui en place sur le site. Les résultats viendront lorsque le fonctionnement des lignes sera conforme aux objectifs fixés par le projet «IDP» Une fois la densité régulée proprement et les séchoirs optimisés il sera alors temps de travailler sur le volet humidité.

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