INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES STRUCTURES DE RÉGULATION

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1 Risques et Précautions liés au Matériel INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES STRUCTURES DE RÉGULATION INTRODUCTION - OBJECTIFS DU CONTRÔLE DE PROCÉDÉ... 1 I - RÉGULATION EN BOUCLE FERMÉE Principe de la boucle fermée Régulations de niveau Régulations de température Interactions entre plusieurs boucles simples...6 II - RÉGULATION AVEC CASCADE 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...10 III - RÉGULATION EN SPLIT RANGE Principe de la régulation en split range Exemple de la régulation de pression d un ballon séparateur Différentes possibilités de partage d échelle Exemples...13 IV - OPÉRATIONS SUR LES SIGNAUX DE RÉGULATION Régulation de la puissance thermique d un échangeur Régulation de ratio Utilisation de sélecteurs de signaux...17 Ce document comporte 19 pages IR REG - - Rév. 5 01/04/ ENSPM Formation Industrie - IFP Training

2 1 INTRODUCTION : OBJECTIFS DU CONTRÔLE DE PROCÉDÉ Les objectifs du contrôle de procédé sur une installation fonctionnant en continu, sont les suivants : - asservissement permettant la modification des consignes opératoires - régulation face aux perturbations - automatisation des procédures d exploitation répétitives - sécurité par alarmes et par automatismes - optimisation du fonctionnement de l installation Les pages qui suivent traitent essentiellement des deux premiers points ci-dessus 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 - l amplitude et la fréquence de ces perturbations - et les possibilités techniques offerte par le système de conduite installé Du point de vue de leur fréquence de traitement, on peut distinguer : - les boucles de régulation de débits, températures, pressions, niveaux, avec une période de l ordre de la seconde - les régulations de puretés/compositions des produits (AC) dont la période va de 1 à 10 minutes - les applications d optimisation dont la période est de quelques dizaines de minutes Maximisation production Valorisation des produits Coûts de fabrication OPTIMISATION Fréquence de l'action Heure OPTIMISATIONS Analyses COMPOSITION/PURETÉ Caractéristiques physico-chimiques Minute RÉGULATIONS D'ANALYSE Débits, températures Pressions, niveaux RÉGULATION VANNE DE RÉGULATION Seconde RÉGULATIONS DE BASE D PCD 1066 A

3 2 I - RÉGULATION EN BOUCLE FERMÉE 1 - PRINCIPE DE LA BOUCLE FERMÉE Dans une boucle fermée, en régulation monovariable, la variable contrôlée obéit au solde global de l influence de la variable manipulée et des perturbations. Cette évolution est mesurée par un transmetteur et transmise à un régulateur lequel génère le signal de commande de la vanne de régulation. Consigne Transmetteur Capteur FE Signal de mesure Régulateur Signal de commande Vanne de régulation D PCD 1037 A Ainsi, dans l exemple de la régulation de débit ci-dessus, toute modification de l ouverture de la vanne de régulation a une incidence sur la valeur du débit de fluide qui passe dans la ligne. Perturbations Consigne C Écart e + RÉGULATEUR Signal de commande Sc Mesure m PROCÉDÉ DIRA 210 A

4 3 2 - RÉGULATIONS DE NIVEAU a - Niveau d un ballon de séparation liquide-gaz : action sur le débit sortant GAZ Fluide chauffant PC CHARGE TC LC LIQUIDE D PCD 1038 A Le niveau de liquide dans ce ballon est contrôlé par la vanne de sortie liquide : - sur 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 sur le débit liquide entrant dans le ballon peuvent être dues à : - la variation du débit global à l entrée - la variation de la température du fluide - la variation de la pression du ballon séparateur Toute variation du niveau va se traduire par une variation plus ou moins brusque du débit liquide sortant du ballon. Si les variations du niveau liées aux variations de pression amont et aval sont trop importantes, l implantation d une cascade LC permet d en atténuer l effet. D autre part, si le débit liquide sortant constitue la charge d une section réactionnelle, il est généralement nécessaire pour la marche de celle-ci que ce débit soit aussi constant que possible. L implantation d un régulateur à bande morte permet de répondre à ces 2 objectifs.. - laisser la vanne en position et donc maintenir le débit constant tant que le niveau du ballon fluctue à l intérieur de la bande morte - activer la régulation quand l un des seuils, mini ou maxi, est franchi

5 4 b - Niveau de bâche de dégazage d eau de chaudière : action sur le débit entrant RO EAU DÉMINÉRALISÉE LC Vapeur BP D PCD 1050 A ALIMENTATION DE CHAUDIÈRE Les variations de la demande en eau alimentaire sont modulées par le en aval de la pompe et le niveau de la bâche est une conséquence de ces variations. Pour assurer un niveau constant, le régulateur de niveau LC admet un débit d eau plus ou moins grand. - sur baisse de niveau, le LC l ouverture de la vanne - sur montée de niveau, le LC l ouverture de la vanne c - Débit vers section catalytique Le schéma ci-dessous représente le ballon d alimentation d une section catalytique alimentée à débit constant par la pompe à vis P 104. CHARGE LC D 101 D PCD 1042 A P 103 P 104 SECTION CATALYTIQUE Alimenté lui-même par la pompe à vis P 103, le ballon D101 est maintenu à niveau constant par action sur le débit de recyclage de la pompe à travers une vanne trois voies.

6 5 3 - RÉGULATIONS DE TEMPÉRATURE a - By-pass d un échangeur Fluide chaud TC D PCD 1040 A FLUIDE À RÉCHAUFFER VERS UNITÉ La régulation est assurée par by-pass partiel du fluide dont on régule la température : - sur une augmentation de la mesure de température, le TC le débit de by-pass - sur une diminution de la mesure de température, la TC le débit de by-pass. Sens d action du régulateur. Position de sécurité de la vanne 3 voies. b - Régulation de la puissance de chauffe d un four Dans un four, la température de sortie du produit chauffé (fluide du procédé) est généralement régulée par ajustement du débit de combustible consommé au brûleur : - sur une augmentation de la mesure de température, le TC l ouverture de la vanne de combustible, - sur une diminution de la mesure de TT température, le TC l ouverture de la vanne de combustible. Combustibles TC Consigne D PCD 1041 A

7 6 Application : De nombreuses perturbations peuvent provoquer des variations de la température du fluide de procédé à la sortie du four. En donner la liste. Un des rôles de la structure de régulation implantée est de faire face à toutes ces perturbations, une simple boucle fermée peut se révéler insuffisante et nécessiter une structure de régulation plus complexe. 4 - INTERACTIONS ENTRE PLUSIEURS BOUCLES SIMPLES Dans le réseau de chauffage par huile chaude ci-dessous les différents utilisateurs sont placés en parallèle. Chacun des consommateurs prend le débit d huile correspondant à son besoin propre par l ouverture de la vanne de régulation correspondante. PDC D PCD 1043 A Un by-pass général régulé par PDC laisse alors passer le complément de débit non utilisé par les consommateurs. Lorsqu un utilisateur réduit l ouverture de la vanne qui le concerne, cela provoque une augmentation de pression au refoulement de la pompe. Le PDC la détecte et compense en augmentant l ouverture de la vanne du by-pass. Il évite ainsi de perturber les autres utilisateurs en maintenant contante la différence de pression amont-aval des vannes de régulation de chaque utilisateur.

8 7 II - RÉGULATION AVEC CASCADE 1 - PRINCIPE DE LA 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 noté Sc 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 Mesure M1 M2 Régulateur primaire Signal S C1 Régulateur secondaire Signal S C2 Consigne Consigne D PCD 1044 A C1 C2 Lorsque celle-ci est bouclée, le fonctionnement de la cascade est donc caractérisé par : C 2 = Sc 1

9 8 2 - EXEMPLE DE LA RÉGULATION DE CHAUFFE D UN FOUR ENTRÉE FLUIDE PROCÉDÉ TC PC SORTIE FLUIDE PROCÉDÉ D PCD 1045 A COMBUSTIBLE La cascade TC PC comprend deux boucles de régulation : - la boucle secondaire du PC (régulateur esclave) - la boucle primaire du TC (régulateur maître) Le débit du 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 aux 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 modifiée. Cette boucle secondaire est dite aussi boucle rapide, sa dynamique étant beaucoup plus rapide que celle de la boucle primaire (dite boucle lente). 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 une 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. Ainsi 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.

10 9 3 - EXEMPLE DE LA RÉGULATION DU NIVEAU D UN BALLON LC D PCD 1046 A La cascade LC comprend aussi deux boucles : - la boucle de débit (boucle secondaire) - la boucle de niveau (boucle primaire) La colonne de distillation en aval du ballon est un procédé qui, par nature, s adapte difficilement aux variations brusques de débit d alimentation. La boucle de débit assure un débit constant ou ne subissant que des variations lentes. La boucle de 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 par exemple).

11 MODES DE FONCTIONNEMENT D UNE CASCADE Il existe quatre façons distinctes d opérer une cascade, selon les modes de fonctionnement des régulateurs : Modes des régulateurs Primaire Quelconque Quelconque MANU AUTO Secondaire MANU AUTO CASCADE CASCADE Fonctionnement L opérateur choisit directement le Sc 2, c està-dire l ouverture demandée à la vanne. L opérateur choisit la consigne C2 du régulateur secondaire (consigne interne locale). L opérateur choisit le Sc 1 du régulateur primaire. L opérateur choisit la consigne C1 du régulateur primaire, et c e dernier fixe celle du régulateur secondaire. RÉGULATEUR PRIMAIRE RÉGULATEUR SECONDAIRE CI Consigne interne C1 REG 1 A M S C1 CE A M REG 2 CI S C1 (%) Consigne interne C2 S C2 (%) A M S C2 D IRA 1062 A Certains algorithmes permettent de faire commander la vanne directement par le Sc du régulateur primaire en cas de défaillance du régulateur secondaire, régulation dite Primaire Direct.

12 11 III - RÉGULATION EN SPLIT RANGE 1 - PRINCIPE DE LA RÉGULATION EN SPLIT RANGE Le Split Range ou partage d échelle est un schéma 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 : Échelle 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 % du Sc du régulateur ; celle-ci est partagée entre les différents organes de réglage. 2 - EXEMPLE DE LA RÉGULATION DE PRESSION D UN BALLON SÉPARATEUR Engazage Dégazage PC 1 2 LC D PCD 1048 B % Course So Vanne Vanne Signal régulateur (%) D PCD 1049 A Le partage de l étendue d 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 S0 indiquée sur le schéma correspond donc à la situation 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.

13 12 Application Le régulateur étant en Inverse (Decrease), une variation des conditions de fonctionnement du ballon va alors avoir les conséquences suivantes : - si la pression mesurée tend à augmenter (par accroissement du débit de vapeur par exemple) le Sc. Ceci fait ouvrir la vanne, la vanne restant fermée - si la pression mesurée tend à baisser, le Sc, ce qui a pour conséquence : dans un premier temps la vanne, la fermeture complète étant obtenue pour une valeur de la SV à 50 % de l échelle au-delà de cette valeur, la vanne permettant un engazage du ballon 3 - DIFFÉRENTES POSSIBILITÉS DE PARTAGE D ÉCHELLE Il existe de nombreuses possibilités différentes de partager l échelle du signal de commande entre les organes de réglage concernés par le Split-Range. a - Partage non symétrique vanne 2 vanne 1 b - Recouvrement 0 % 50 % 100 % Echelle du Sc du régulateur vanne 2 vanne 1 c - Domaines disjoints 0 % 50 % 100 % Echelle du Sc du régulateur vanne 2 vanne 1 0 % 50 % 100 % Echelle du Sc du régulateur

14 13 d - Trois domaines % 50 % 100 % Echelle du Sc du régulateur 4 - EXEMPLES Régulation de pression d un ballon dégazeur d eau de chaudière Atm PC RO A EAU DÉMINÉRALISÉE CONDENSATS B VAPEUR BP Course vanne % 100 B A Signal de commande (%) D PCD 1051 A

15 14 Régulation de pression d une tour de distillation PC B A D PC M C TORCHE FG D PCD 1052 A PRODUIT DE TÊTE - Split Range vers les vannes A, B, C 100 % course vanne A B C % signal de commande D PCD 1053 A Flip Flop - engazage par la vanne D en cas de pression basse Fluide chaud FLUIDE À RÉCHAUFFER A B TC VERS UNITÉ 100 % course vanne A 0 B 100 % signal de commande D PCD 1054 A

16 15 IV - OPÉRATIONS SUR LES SIGNAUX DE RÉGULATION Sur les signaux de régulation (mesure, consigne, signal de commande) il est possible (en technologie classique et à fortiori en numérique) de réaliser des opérations diverses : - extraction de racine carrée - addition, soustraction - multiplication, rapport - choix du plus grand ou du plus petit - etc. 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 XC Consigne de puissance thermique FT TE1 TE2 D PCD 1055 A FLUIDE DE REBOULLAGE La puissance thermique de l échangeur est proportionnelle : - au débit de fluide chauffant - à la différence de température entrée-sortie du fluide chauffant soit Q = M x C x t Le calcul de la puissance thermique s obtien donc par : F x (T1 - T2) x chaleur massique La régulation de puissance thermique (Duty) s obtient par action sur le débit entrée échangeur

17 RÉGULATION DE RATIO Un régulateur de ratio (ou de proportion) de débit FFIC maintient constant le rapport entre 2 débits de fluides. Il dispose pour cela des 2 mesures correspondantes. SECTION RÉACTION FFV 1302 FAH FAL FI 1302 FFIC 1302 FT 1302 INJECTION 2 AE 1398 AT AI UIC 2 FT 1307 FAL FI 1307 AI S FFY 1301 FFIC 1301 FT 1308 FSLL 1308 FALL 1308 UIC 1 FV 1301 FAL FT 1301 FI 1301 FO TSO INJECTION 1 TI 1350 FT D PCD 1056 A CHARGE

18 UTILISATIONS DE SÉLECTEURS DE SIGNAUX Mini Technique combustible Pour éviter d opérer un four au-dessous de son minimum technique, un sélecteur de signal haut est installé sur le signal de commande de la vanne. FLUIDE PROCÉDÉ TC VERS ZONE RÉACTIONNELLE PC > COMBUSTIBLE D PCD 1057 A Seul le signal le plus grand est pris en compte. Ainsi, lorsque la demande de combustible tend à devenir inférieure au minimum technique, c est le Pc de mini-technique qui commande la vanne. Les sélecteurs hauts et bas 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. Rebrouilleur noyé La vanne de régulation reçoit en situation normale le signal de commande du, lui-même cascadé par une régulation de température. Un LC évite la vidange complète du ballon de condensats. VBP LC < auto Consigne exter ne D PCD 1058 A

19 18 Régulation de pression d un réseau vapeur Vapeur HP PC Pression nourrice CGC (T/h eq. FO) > SSH < FT Éxcés d'air Débit d'air corrigé FY kg air T éq. FO FT FO retour FO aller FT - + SSB D IRA 1004 A Air Combustible Commande du registre des fumées sur un four à tirage naturel AI AIC Four % O 2 < PDI PDIC Dépression Combustible D IRA 1235 A