Choix et sélection des systèmes de contrôle

Ce tutoriel se concentrera sur les choix de régulation automatique disponibles (tels que auto-régulant, pneumatique ou électrique) et les décisions qui doivent être prises avant la sélection. Des conseils sont proposés sur la base des trois considérations les plus importantes de sécurité, de stabilité et de précision.

Ce module se concentrera sur les choix de régulation automatique disponibles et les décisions qui doivent être prises avant la sélection. Des conseils sont proposés ici plutôt qu’un ensemble de règles, car les décisions réelles dépendront de facteurs variables ; dont certains, tels que le coût, les préférences personnelles et les tendances actuelles, ne peuvent être inclus ici.

Application

Il est important de revenir sur les trois paramètres de base discutés au début du Module 5.1 : Sécurité, Stabilité et Précision. Afin de sélectionner la control valve correcte, des détails sur l’application et le processus lui-même sont nécessaires. Par exemple :

• Des caractéristiques de sécurité sont-elles impliquées ? Par exemple, la vanne doit-elle être défaillante ouverte ou défaillante fermée en cas de coupure de courant ? Un contrôle séparé est-il requis pour les limites haute et basse ?
• Quelle propriété doit être contrôlée ? Par exemple, température, pression, niveau, débit ?
• Quel est le milieu et ses propriétés physiques ? Quel est le débit ?
• Quelle est la pression différentielle à travers une control valve sur toute la plage de charge ?
• Quels sont les matériaux du corps de vanne et les raccordements ?
• Quel type de processus est contrôlé ? Par exemple, un échangeur de chaleur utilisé pour le chauffage ou des fins de processus ?
• Pour le contrôle de température, la température de consigne est-elle fixe ou variable ?
• La charge est-elle stable ou variable et, si elle est variable, quelle est l’échelle de temps du changement, rapide ou lente ?
• Quelle est la criticité de la température à maintenir ?
• Un contrôle en boucle simple ou en boucles multiples est-il requis ?
• Quelles autres fonctions (le cas échéant) doivent être assurées par le contrôle ? Par exemple, la régulation de température normale d’un système de chauffage, mais avec une protection contre le gel ajoutée pendant les périodes d’arrêt ?
• L’installation ou le processus se trouve-t-il dans une zone dangereuse ?
• L’atmosphère ou l’environnement est-il de nature corrosive ou la vanne doit-elle être installée à l’extérieur ou dans une zone « sale » ?
• Quelle énergie motrice est disponible, telle que l’électricité ou l’air comprimé, et à quelles tension et pression ?

Énergie motrice

C’est la source d’énergie pour actionner le contrôle et entraîner la vanne ou autre élément de commande. Ce sera généralement l’électricité, ou l’air comprimé pour un système pneumatique, ou un mélange des deux pour un système électropneumatique. Les systèmes de régulation auto-régulants ne nécessitent aucune forme d’énergie externe pour fonctionner ; ils génèrent leur propre énergie à partir d’un système hydraulique ou à pression de vapeur intégré. Dans une certaine mesure, les détails de l’application elle-même peuvent déterminer le choix de l’énergie de commande. Par exemple, si le contrôle se trouve dans une zone dangereuse, les contrôles pneumatiques ou auto-régulants peuvent être préférables aux contrôles électriques/électroniques intrinsèquement sûrs ou antidéflagrants coûteux. Les caractéristiques suivantes sont listées comme commentaire général sur les différentes options de source d’énergie :

Contrôles auto-régulants

Avantages :

• Robustes, simples, tolérants aux environnements « hostiles ».
• Faciles à installer et à mettre en service.
• Fournissent un contrôle proportionnel avec une très grande plage de réglage.
• Des contrôles défaillant ouvert ou défaillant fermé en cas de dépassement inacceptable de température peuvent être obtenus.
• Ils sont sûrs dans les zones dangereuses.
• Relativement sans entretien. Inconvénients :
• Les contrôles de température auto-régulants peuvent être relativement lents à réagir, et les fonctions de contrôle intégral et dérivé ne peuvent pas être fournies.
• Les données ne peuvent pas être retransmises.

Contrôles pneumatiques

Avantages :

• Robustes.
• Ils fonctionnent très rapidement, les rendant adaptés aux processus où les variables de processus changent rapidement.
• Les actionneurs peuvent fournir une force de fermeture ou d’ouverture élevée pour actionner les vannes contre des pressions différentielles élevées.
• L’utilisation de positionneurs de vanne garantira un contrôle précis et répétable.
• Les contrôles purement pneumatiques sont intrinsèquement sûrs et les actionneurs offrent un fonctionnement fluide.
• Peuvent être configurés pour fournir un fonctionnement défaillant ouvert ou défaillant fermé sans coût ou difficulté supplémentaires. Inconvénients :
• Le système d’air comprimé nécessaire peut être coûteux à installer, s’il n’en existe pas déjà un.
• Un entretien régulier du système d’air comprimé peut être nécessaire.
• Le mode de contrôle de base est tout ou rien ou proportionnel bien que des combinaisons P+I et P+I+D soient disponibles, mais généralement à un coût plus élevé qu’un système de contrôle électronique équivalent.
• L’installation et la mise en service sont simples et de nature mécanique.

Contrôles électriques

Avantages :

• Positionnement très précis.
• Des contrôleurs offrant une grande polyvalence avec des combinaisons de modes de contrôle tout-ou-rien ou P+I+D, et des sorties multifonctions sont disponibles. Inconvénients :
• Les vannes électriques fonctionnent relativement lentement, ce qui signifie qu’elles ne sont pas toujours adaptées aux paramètres de processus changeant rapidement tels que le contrôle de pression sur des charges qui changent vite.
• L’installation et la mise en service impliquent à la fois des compétences électriques et mécaniques et le coût du câblage et de l’installation d’une alimentation électrique séparée doit être pris en compte.
• Les actionneurs électriques ont tendance à être moins fluides que leurs homologues pneumatiques. Des actionneurs à rappel par ressort sont nécessaires pour les fonctions défaillant ouvert ou défaillant fermé : Cela peut réduire considérablement la force de fermeture disponible et ils coûtent généralement plus cher.
• Des contrôles électriques intrinsèquement sûrs ou antidéflagrants sont nécessaires pour une utilisation dans les zones dangereuses ; c’est une solution coûteuse et, en tant que telle, une solution pneumatique ou électropneumatique peut être requise, comme décrit ci-dessous. Des techniques d’installation spéciales sont nécessaires pour ces types de zones dangereuses.

Contrôles électropneumatiques

Avantages :

• Les contrôles électropneumatiques peuvent combiner les meilleures caractéristiques des contrôles électroniques et pneumatiques. De tels systèmes peuvent se composer de vannes à actionneur pneumatique, de contrôleurs/électroniques, de capteurs et de systèmes de contrôle, plus des positionneurs ou convertisseurs électropneumatiques. La combinaison fournit la force et le fonctionnement fluide d’un actionneur/vanne pneumatique avec la rapidité et la précision d’un système de contrôle électronique. Un fonctionnement défaillant ouvert ou défaillant fermé peut être fourni sans pénalité de coût et, en utilisant des barrières appropriées et/ou en confinant la partie électrique/électronique du système de contrôle dans des zones « sûres » (non dangereuses), ils peuvent être utilisés lorsque la sécurité intrinsèque est requise. Inconvénients :
• Des alimentations électriques et d’air comprimé sont nécessaires, bien que cela ne soit normalement pas un problème dans les environnements de traitement industriel. Il y a trois facteurs importants à prendre en compte lors de la considération de l’application et de la source d’énergie requise :
• Les variations de charge.
• Si la valeur de consigne est critique ou non critique.
• Si la valeur de consigne doit être modifiée. Les diagrammes des Figures 5.4.1 et 5.4.2 aident à l’explication.

Quel type de contrôles installer ?

Différentes applications peuvent nécessiter différents types de systèmes de contrôle. Les contrôles auto-régulants et pneumatiques peuvent être utilisés si les variations de charge sont assez lentes et si un décalage peut être accepté, sinon des contrôles électropneumatiques ou électriques doivent être utilisés. La Figure 5.4.3 montre quelques applications différentes et des suggestions sur la méthode de contrôle qui peut être acceptable.

Types de vannes et d’actionneurs

Le type d’actionneur est déterminé par l’énergie motrice qui a été sélectionnée : auto-régulante, électrique, pneumatique ou électropneumatique, ainsi que par la précision de contrôle et la vitesse d’actionneur requises. En ce qui concerne la sélection de la vanne, avec la vapeur comme fluide d’écoulement, le choix se limite à une vanne deux voies. Cependant, si le milieu est l’eau ou un autre liquide, il y a le choix entre des vannes deux voies ou trois voies. Leurs effets de base sur la dynamique du réseau de tuyauterie ont déjà été discutés. Une application d’eau déterminera généralement si une vanne trois voies est utilisée pour mélanger ou dévier l’écoulement du liquide. Si les changements de pression du système avec des vannes deux voies sont acceptables, leurs avantages par rapport aux vannes trois voies comprennent un coût inférieur, la simplicité et une installation moins coûteuse. Le choix de vannes deux voies peut également permettre d’utiliser le changement de pression inhérent du système pour activer des pompes séquentielles, ou pour réduire ou augmenter le débit de pompage d’une pompe à vitesse variable selon la demande de charge. Lors de la sélection de la vanne réelle, tous les facteurs considérés précédemment doivent être pris en compte, y compris : le matériau du corps, les limites de pression/température du corps, les raccordements requis et l’utilisation de la méthode de dimensionnement correcte. Il est également nécessaire de s’assurer que la sélection de la combinaison vanne/actionneur peut fonctionner contre la pression différentielle rencontrée dans tous les états de charge. (La pression différentielle dans les systèmes de vapeur est généralement considérée comme la pression absolue maximale de la vapeur en amont. Cela permet la possibilité d’une vapeur à pression sous-atmosphérique du côté aval de la vanne).

Contrôleurs

La sécurité est toujours d’une grande importance. En cas de coupure de courant, la vanne doit-elle être défaillante sûre en position ouverte ou fermée ? Le contrôle doit-il être à action directe (le signal de sortie du contrôleur augmente avec l’augmentation de la variable mesurée) ou à action inverse (le signal de sortie du contrôleur diminue avec l’augmentation de la variable mesurée) ? Si l’application ne nécessite qu’un contrôle tout ou rien, un contrôleur peut ne pas être nécessaire du tout. Un actionneur deux positions peut être actionné à partir d’un dispositif de commutation tel qu’un relais ou un thermostat. Lorsqu’une application nécessite de la polyvalence, la capacité multifonction d’un contrôleur électronique est requise ; peut-être avec un contrôle de température et de temps, multi-boucle, multi-entrées/sorties. Ayant déterminé qu’un contrôleur est nécessaire, il est nécessaire de déterminer quelle action de contrôle est nécessaire, par exemple tout ou rien, P, P I, ou P I D. Le choix fait dépend de la dynamique du processus et des types de réponse considérés précédemment, ainsi que de la précision de contrôle requise. Avant d’aller plus loin, il est utile de définir ce que l’on entend par « bon contrôle ». Il n’y a pas de réponse simple à cette question. Considérons les différentes réponses aux changements de charge comme montré à la Figure 5.4.4.

Le contrôle auto-régulant est normalement adapté aux applications où il y a une capacité thermique « côté secondaire » très grande par rapport à la capacité « côté primaire ».

Considérons un calorifère à accumulation d’eau chaude comme montré à la Figure 5.4.5 où le grand volume d’eau stockée est chauffé par un serpentin de vapeur.

Lorsque l’eau dans le réservoir est froide, la vanne sera grande ouverte, permettant à la vapeur d’entrer dans le serpentin, jusqu’à ce que l’eau stockée soit chauffée à la température souhaitée. Lorsque l’eau chaude est prélevée du réservoir, l’eau froide qui entre dans le réservoir pour la remplacer réduira la température de l’eau dans le réservoir. Les contrôles auto-régulants auront une bande proportionnelle relativement large et dès que la température baisse, la vanne commencera à s’ouvrir. Plus l’eau est froide, plus la vanne de vapeur est ouverte.

La Figure 5.4.6 montre un échangeur de chaleur à plaques sans accumulation avec peu de capacité de stockage thermique du côté primaire ou secondaire, et avec un temps de réaction rapide. Si la charge change rapidement, il peut ne pas être possible pour un système de contrôle auto-régulant de fonctionner avec succès. Une meilleure solution serait d’utiliser un système de contrôle qui réagira rapidement aux changements de charge, et fournira en même temps de la précision.