Concepts de base de la régulation des systèmes : Partie II

Principe et constitution d’une boucle de régulation

1) Exemple d’une boucle de régulation de niveau

Eléments constitutifs d’une boucle de régulation

Pour mettre en œuvre la boucle de régulation de niveau de la phase liquide d’un ballon, les éléments suivants sont nécessaires.

Figure 1. Boucle de régulation de niveau

Principe de fonctionnement d’une boucle de régulation de niveau

• La mesure de niveau est assurée par le capteur et dirigée vers le transmetteur. Celui-ci transforme la mesure en un signal normalisé et le transmet au régulateur qui, par ailleurs, a reçu une consigne de hauteur de niveau. Le régulateur compare la mesure à la consigne et, s’il existe un écart, agit sur le servomoteur de la vanne de régulation par un signal de commande dans le sens voulu pour ramener la grandeur réglée à la de consigne.

• Un positionneur est généralement installé sur la vanne automatique, vérifie en permanence que la position réelle de la vanne correspond bien à la position théorique correspondant au signal régulateur. Dans le cas contraire, il modifie la pression d’air sur le servomoteur jusqu’à concordance de ces deux positions.

• La mesure est visualisée en continu sur un indicateur ou un enregistreur.

• La présence supplémentaire d’alarmes de niveau haut et bas permet de prévenir l’opérateur en cas de remplissage anormal ou de vidange excessive du ballon.

• Dans d’autres cas de boucles de régulation, la vanne automatique peut être remplacée par un organe de réglage ou actionneur tel que vantelles, servomoteur pour orienter les pales d’un ventilateur, etc.

Afin de commander (réguler) un système physique, il faut donc :

• Mesurer la grandeur physique que l’on veut contrôler avec un capteur.

• Réfléchir sur l’attitude à adopter : c’est la fonction du régulateur. Le régulateur compare la grandeur réglée avec la consigne et élabore un signal de commande.

• Agir sur l’entrée du système (grandeur réglante) par l’intermédiaire d’un actionneur (organe de réglage). 

Figure2. Principe général de la régulation

2) Analyse d’une boucle de régulation type

Une boucle de régulation type d’une seule variable s’explicite par le schéma bloc suivant 

Figure 3. Schéma bloc d'une régulation simple

•  Grandeur réglée : la grandeur réglée est la grandeur physique que l’on désire contrôler. Elle donne son nom à la régulation : régulation de température, de niveau, de pression, de débit, de vitesse,…

• Consigne (Set Point): la valeur que doit prendre la grandeur réglée. La consigne peut être une transformation par potentiomètre, touches sensitives,… de l’action manuelle d’un opérateur humain…

• Grandeur réglée mesurée (Process Variable) : Grandeur mesurée transmise par le capteur- transmetteur  et comparée à la consigne.

• Signal de commande (Controller Output) : Signal que délivre le régulateur à l’organe de réglage.

• Grandeur réglante : grandeur physique choisie pour contrôler la grandeur réglée. Elle n’est généralement pas de même nature que la grandeur réglée : débit de fluide, intensité électrique, pression…

• Perturbations (Disturbances) : grandeurs physiques qui influencent la grandeur réglée. Elles ne sont pas toujours mesurables. Exemples : température extérieure, débit de soutirage, couple résistant…

• Organe de réglage (Final Control Element): dispositif mécanique, électrique, pneumatique ou hydraulique permettant d’agir sur une machine, un système pour modifier son fonctionnement ou son état : vanne, servomoteur, gradateur, servovalve, variateur…

• Capteur (Sensor) : dispositif qui délivre, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur, souvent électrique, fonction de la première et directement utilisable pour la mesure ou la commande : thermocouple, sonde à résistance de platine, pH mètre, anémomètre, tachymètre…

• Transmetteur (Transmitter) : dispositif qui converti le signal de sortie du capteur en un signal de mesure normalisé, récupérable par des régulateurs standards et transmissible à distance tel le 4-20mA : transmetteur de pression différentielle, convertisseur fréquence/tension….Il est souvent intégré au capteur.

• Régulateur (Controller) : appareil dont la fonction essentielle est de comparer la mesure de la grandeur réglée à la consigne imposée, s’il existe une différence entre elle, il modifie le signal de commande qui est envoyé à l’actionneur : régulateur Proportionnel Intégral Dérivé (PID), TOR (tout ou rien), numérique, prédictif…

Figure 4. Régulation du niveau d'un ballon d'une chaaudière de production de vapeur

Figure5. Régulation du débit dans une consuite

3) Représentation symbolique des chaînes de régulation

La représentation par schéma blocs utilisée plus haut est sans doute la plus pratique au stade d’analyse. Elle peut, moyennant certaines hypothèses, devenir une représentation mathématique de la boucle, les différents blocs contenant chacun un modèle de la relation  liant les signaux d’entrée et de sortie du bloc. Il existe cependant d’autres représentations, dont certaines graphiques (graphe de fluence, bond- graphs..).

Le schéma de procédé et d’instrumentation (Piping and Instrumentation Diagram) ou schéma TI (Tuyauterie et Instrumentation) est utilisé fréquemment pour représenter les chaînes de régulation industrielle. Il a l’avantage de respecter les divisions matérielles, de faire apparaître certaines caractéristiques technologiques (réseaux énergétiques, affichage local des mesures, existence et type de pré-actionneur), tout en précisant les divisions fonctionnelles. Il est bien adapté au cas des boucles multiples, telles que l’on rencontre dans de nombreuses installations industrielles. Un tel schéma utilise des symboles normalisés représentant sans ambiguïté les différents composants du processus :

• Les équipements propres au processus lui-même ;

• Les équipements nécessaires au contrôle du processus.

Les équipements propres au processus lui-même sont :

• Les équipements statiques pour les opérations de transport et de stockage (tuyauteries, bacs).

• Les équipements dynamiques pour les opérations de transformation (fours, tours de distillation, séparateurs, échangeurs,…)

Les équipements nécessaires au contrôle du processus et constituant l’instrumentation comportent :

• Des prises de mesures (essentiellement de pression, débit, niveau, température).

• Des instruments de mesure (indicateurs locaux, transmetteurs).

• Des organes de contrôle (régulateurs).

• Des organes de sécurité (alarmes, systèmes de commandes automatiques).

• Des organes de commande permettant de moduler ou de sectionner les flux de matière (vannes motorisées de sectionnement, vannes régulatrices, pompes, ventilateurs,…).

• Des organes de protection (soupapes).

Eléments de base

Les éléments de base d’un P&ID sont représentés par la figure suivante :

Figure6. Eléments de base d'un P&ID

 Bulles (symboles géométriques)   

Tableau1. Bulles

C.      Lettres d’identification fonctionnelle

Tableau 2. Code des lettres

Aux symboles graphiques sont associés des groupes de lettres et de chiffres qui vont permettre aux techniciens de définir immédiatement :

1) L’unité, la ligne, l’atelier, etc… dans lesquels les instruments sont installés.

2) Le numéro d’ordre des appareils dans la chaîne de mesure.

3) La grandeur physique mesurée.

4) La ou les fonctions des instruments.

En règle générale nous trouverons :

Exemple de combinaisons de lettres

Tableau 3. Quelques combinaisons de lettres

Figure 7. Exemples d'identication des instruments

Symboles des lignes de transmission des signaux

Figure 8. . Lignes de transmission des signaux

 Blocs de fonctions

Tableau 4. Quelques blocs de fonction

 Corps de vannes de réglage

Figure 8.Corps de vannes

  Actionneurs de vannes de réglage

Figure 9. Actionneurs des vannes

Exemples

Figure 10. Régulation de débit

Figure 11. Régulation de niveau

Figure 12. Contrôle d’un échangeur

Figure 13. Contrôle d'une colonne

Figure14. Contrôle d'un réacteur batch

Figure 15. P&ID de distillation de benzène

Symboles des équipements utilisés dans les P&ID et les PFD (Process Fluid Diagram)

Figure 16. Pompes et réservoirs

Figure 17. Compresseurs, turbines à vapeur et moteurs

Figure 18. Echangeurs de chaleurs

Figure 19. Fours et chaudière

Figure 20. Colonnes de distillation

Figure 20. Réacteurs

4) Fonctionnement en manuel ou en automatique

On parle de fonctionnement en boucle ouverte (ou en manuel) quand c'est l'opérateur qui contrôle l'organe de réglage. Ce n'est pas une régulation.

Figure 21. Température dans un échangeur de chaleur

Figure 22. Niveau d'un liquide dans un réservoir

Figure 23. Pression dans un réservoir

Figure 24. Réacteur parfaitement agité

 Fonctionnement en boucle fermée (ou en automatique) : 

C'est le fonctionnement normal d'une régulation. Le régulateur compare la mesure de la

grandeur réglée et la consigne et agit en conséquence pour s'en rapprocher.

Dans les régulateurs, il y a généralement un sélecteur AUTO/MANU qui permet de choisir le mode de fonctionnement de la boucle (en automatique ou en manuel).

Figure 25. Régulation du niveau d'un réservoir

Figure 26. Régulation de la température dans un échangeur

5) Signaux utilisés dans une boucle de régulation

Dans une boucle de régulation, les différents appareils sont reliés entre eux et les informations circulent le plus souvent :

·         Soit sous forme de pression d’air: (0,2 à 1 bar)

·         Soit sous forme de courant électrique continu : (4 à 20 mA)

·         Soit sous forme d’information numérique : (0 ou 1)

Les signaux sont alors appelés respectivement signaux pneumatiques, électriques et numériques :

·         Les signaux pneumatiques et électriques, qui sont des signaux continus, sont appelés analogiques.

·         En numérique, les signaux sont émis à intervalles de temps réguliers (seconde ou fraction de seconde correspondant à la période de scrutation)

                                                                                                                                         A suivre...