L'informatique dans les systèmes de contrôle

Un aperçu des développements les plus récents dans la régulation impliquant l’utilisation des technologies de l’information.

Il peut être approprié de conclure le chapitre 5 par un large aperçu de l’implication des ordinateurs dans les systèmes de contrôle.

Une définition du dictionnaire du terme « ordinateur » est « un appareil électronique programmable qui peut stocker, récupérer et traiter des données ». Cette définition inclut les contrôleurs de base à boucle simple et multi-boucles couramment trouvés dans les industries de processus où une condition est lue par un capteur, comparée à un point de consigne dans le contrôleur via certaines routines mathématiques effectuées pour déterminer l’action corrective requise, suivie d’une sortie d’un signal approprié. Le taux de développement de la puce informatique et son impact sur tous les aspects de la vie est bien connu. Le rythme des progrès dans la technologie de la régulation signifie sûrement que certains des commentaires suivants seront redondants lors de leur lecture. Historique Les contrôleurs autonomes à boucle simple remontent aux contrôleurs pneumatiques, qui, grâce à l’utilisation ingénieuse de volets et de buses, pouvaient approximer les fonctions PID de base. Ces contrôleurs complexes et coûteux se trouvaient souvent dans les grandes installations pétrochimiques où un contrôle précis du processus, ainsi que la sécurité intrinsèque (l’absence de décharges pouvant déclencher un incendie) était essentielle.

Souvent, ces processus étaient individuellement connectés à des enregistreurs à diagramme circulaire locaux (Figure 5.6.1) ; alternativement, plusieurs processus étaient connectés à des enregistreurs multi-stylos dans les salles de contrôle (Figure 5.6.2). Bien que les enregistreurs multi-stylos permettaient de consulter plusieurs paramètres ensemble, les mécanismes de l’instrument et le nombre de lignes sur un diagramme limitaient effectivement leur utilisation à environ douze entrées.

Les premiers ordinateurs utilisés dans les systèmes de contrôle ont remplacé les enregistreurs à diagramme de la salle de contrôle principale. Ils recueillaient des informations (ou des données) d’un nombre beaucoup plus grand de points autour de l’installation. Ils étaient généralement appelés « enregistreurs de données » (Figure 5.6.3), et n’avaient aucune entrée dans le fonctionnement de l’installation.

Ces premiers ordinateurs étaient généralement programmés pour imprimer des rapports à des intervalles de temps spécifiques sur du papier d’impression continue. En extrayant manuellement les données des impressions informatiques, le directeur de l’installation pouvait examiner le fonctionnement de son installation dans son ensemble, comparer les performances des différentes parties de l’installation, rechercher une détérioration des performances, qui indiquerait la nécessité d’un arrêt, etc.

Au milieu des années 1970, plusieurs entreprises d’instrumentation bien connues ont commencé à commercialiser des systèmes de contrôle numériques. Ces systèmes utilisaient une unité informatique centrale, qui prenait des entrées des capteurs, effectuait des routines mathématiques et fournissait une sortie à divers dispositifs de contrôle pertinents. Ils maintenaient également un enregistrement des événements pour examen (voir Figure 5.6.4).

Notes importantes :

• Un ordinateur personnel (PC) ne peut pas accepter les signaux bruts d’instrumentation (4 - 20 mA, 0 - 10 V) d’un dispositif de contrôle. Un dispositif d’Entrée / Sortie (E / S) était nécessaire pour « traduire » entre les deux. Chacun des fabricants d’E / S avait un moyen unique d’y parvenir, ce qui signifiait que les systèmes n’étaient pas tout à fait aussi compatibles que prévu.
• Au début, les dispositifs d’E / S se trouvaient dans la salle de contrôle principale de l’installation, et chaque équipement individuel était connecté à la salle de contrôle principale par son propre câble de signal individuel. Cela signifiait que sur une grande installation, l’installation et la gestion des câbles étaient un enjeu important, en termes de volume physique et de coût correspondant.
• À mesure que la technologie progressait, le dispositif d’E / S se déplaçait vers l’installation, et la quantité de câblage vers la salle de contrôle était réduite, mais restait significative. Ces systèmes de contrôle numériques ont conduit au développement de :
• Systèmes de contrôle distribués (DCS)
• Systèmes de supervision et d’acquisition de données (SCADA), et
• Systèmes de gestion technique du bâtiment (GTB) … tous sont en usage prolifique aujourd’hui (voir Figure 5.6.5).

Un bond en avant géant s’est produit à la fin des années 1980 avec l’introduction du PC et de l’environnement d’écran Windows et du système d’exploitation informatique. Cela a fourni une plateforme standard pour les systèmes de contrôle numériques antérieurs, car toutes les entreprises d’instrumentation avaient besoin de travailler dans un format commun. L’avantage des systèmes basés sur « Windows » était que les informations étaient échangeables de la même manière que l’utilisateur d’ordinateur personnel d’aujourd’hui peut librement échanger des données entre Word, « Excel » et « PowerPoint ». Ce « langage » d’échange de données a été appelé Dynamic Data Exchange (DDE), puis s’est développé en Object Linking and Embedding (OLE). Cela a été ensuite modifié pour le contrôle de processus pour devenir OLE for Process Control (OPC), qui est encore utilisé au moment de la rédaction.

L’utilisation de PC signifiait également que les options pour visualiser l’historique étaient considérablement plus faciles. Au lieu d’être confiné aux impressions et à la transfert manuel de données, le directeur de l’installation pouvait utiliser des programmes de graphiques puissants, analyser les tendances, ajouter des couleurs, ajuster les échelles et utiliser des symboles ; différentes variables pouvaient être tracées les unes par rapport aux autres, et les performances de différentes installations comparées.

Les systèmes d’automatisation modernes utilisent l’ordinateur comme une « fenêtre » sur le processus. L’opérateur utilise l’ordinateur pour surveiller ce qui se passe dans l’installation dans son ensemble, et réviser les points de consigne et les paramètres de contrôle, tels que PID, des contrôleurs individuels de l’installation, laissant ainsi les contrôleurs individuels exécuter les algorithmes PID et la logique de contrôle.

Par conséquent, les contrôleurs autonomes ont toujours leur place dans les systèmes d’automatisation modernes car ils sont dans le contrôle final, mais le contrôleur prend généralement la forme d’un PLC (automate programmable) ou d’un dispositif multi-boucles monté en rack. Ceux-ci sont assez différents d’apparence des contrôleurs PID à boucle simple. Plutôt qu’un opérateur utilisant un clavier pour modifier le point de consigne et d’autres paramètres de contrôle au niveau du contrôleur, ils sont modifiés par un opérateur sur un ordinateur, qui télécharge électroniquement le paramètre requis au contrôleur. En cas de défaillance de l’ordinateur central, le contrôleur autonome continuerait avec ses paramètres actuels ou irait vers un état sûr, garantissant ainsi que l’installation continue à fonctionner en toute sécurité.

La prochaine étape importante en avant était un système connu sous le nom de « bus de terrain » (Fieldbus).

Le Fieldbus utilise un système de câble numérique unique, qui connecte chaque élément (voir Figure 5.6.6).

Chaque élément (capteur, contrôleur et dispositif contrôlé) reçoit une adresse unique, qui est utilisée soit pour demander des informations (peut-être d’un capteur) soit pour prendre une action (peut-être fermer une control valve).

Cependant, ces systèmes sont complexes et peuvent être coûteux. Un réseau Fieldbus a besoin d’un contrôleur maître pour organiser les communications et la logique de contrôle sur le Fieldbus. Il a également besoin d’un moyen d’interfacer le Fieldbus avec les réseaux informatiques afin que les informations puissent être partagées (voir Figure 5.6.8). Un dispositif qui combine le rôle de contrôleur Fieldbus et fournit le pont vers un réseau PC est appelé un « pont » ou « contrôleur maître » (voir Figure 5.6.7).

Du côté processus, le pont peut :

• Demander et recevoir des données de plusieurs capteurs.
• Utiliser ces informations dans des routines mathématiques complexes pour déterminer et transmettre l’action corrective requise aux dispositifs de contrôle tels que les vannes.
• Peut demander à l’équipement d’initier une routine de diagnostic, et de faire un rapport. Du côté réseau informatique, il peut fournir :
• Des données historiques de l’équipement, telles que la date et le résultat des routines de diagnostic récentes.
• Des alarmes lorsque le processus ou l’équipement dépasse les paramètres définis.
• Des données historiques et actuelles détaillées sur les performances de l’installation.

Notes importantes :

• Les ponts varient en complexité mais peuvent contrôler plus de 50 processus ; l’équivalent de 50 contrôleurs PID à boucle simple.
• Si plus de processus doivent être contrôlés, alors plus d’un pont peut être utilisé.
• Le(s) pont(s) peuvent être situés à des points pratiques autour d’une installation.
• Le pont n’affiche généralement pas d’informations, ni n’a de boutons à presser. C’est simplement une passerelle électronique ; toute interaction avec lui se fait via le PC. Bien que le Fieldbus soit théoriquement une technologie commune, il existe des différences entre les produits et les protocoles utilisés par différents fabricants. Les noms couramment rencontrés dans le Fieldbus incluent :

Notes importantes : Les protocoles et produits Fieldbus ne sont pas directement compatibles les uns avec les autres. Il existe des moyens d’intégrer différents Fieldbus mais cela peut être coûteux. Cela signifie que les utilisateurs adopteront généralement un système exclusivement.

• Les systèmes Fieldbus peuvent intégrer des instruments plus anciens basés sur des signaux (4 - 20 mA, 0 - 10 V, etc.). Cependant, les signaux doivent être interfacés avec le Fieldbus par des unités d’E / S et ce faisant, de nombreux (mais pas tous) les avantages du Fieldbus sont perdus.
• Cela signifie qu’une fois qu’un système Fieldbus particulier a été adopté sur une installation, il est inhabituel que l’utilisateur envisage même un protocole alternatif. À mesure que la technologie de contrôle avance, le PC aussi. Les ordinateurs sont capables de communiquer entre eux via des réseaux (LAN – réseau local) : les départements Finance, Magasins, Production, Marketing et Ventes au sein d’une organisation peuvent facilement partager des données, et avoir différents niveaux d’autorité pour effectuer diverses tâches. Inévitablement, l’ordinateur de contrôle de processus a été connecté au réseau, permettant au personnel autorisé de visualiser et de modifier le fonctionnement de l’installation depuis un PC dans un bureau.

Comme la fabrication est devenue mondiale, les réseaux étendus (WAN) se sont développés. Par conséquent, un ingénieur situé à Londres pourrait, par exemple, interroger un ordinateur d’installation de sa société à New York.

L’impact de cette technologie de contrôle et de communications est énorme. Les connaissances, l’expertise et l’équipement existent maintenant où :

• L’ordinateur de magasin d’un client, répondant à une commande de « stock minimum » ou à un plan de production, peut passer une commande via Internet.

• La commande est reçue par l’ordinateur du fournisseur qui :

• Interroge le stock du produit et l’expédie, ou

• Modifie le planning de production pour inclure la commande, peut-être même en modifiant les instructions de processus pour produire un produit particulier.

• L’ordinateur organise l’expédition du produit et facture le client.

• Aucune intervention humaine n’est requise. Avantages de la technologie Fieldbus Installation :

• Réduction du matériel système - Moins de contrôleurs et moins de câblage sont nécessaires pour contrôler le processus.
• Réduction des coûts d’installation - Non seulement il y a moins d’équipement à installer, mais l’installation est plus simple et plus rapide, ce qui signifie une réduction très significative des coûts de matières et de main-d’oeuvre pour l’installation de fils, de chemins de câbles, de conduits, d’armoires de brassage, de boîtes de jonction et de borniers.
• Moins d’espace nécessaire - Parce qu’il y a moins d’équipement et moins de câblage dans la salle de contrôle, plus d’espace est disponible pour d’autres usages. Il s’ensuit également qu’il y aura plus d’espace pour les équipements de production dans l’installation.
• Plans d’ingénierie - L’ordinateur produit automatiquement les schémas de logique de processus, ils sont donc toujours précis et à jour. Fonctionnement :
• Sécurité - Les actions en cas d’état de défaut sont intégrées dans le logiciel avec des actions spécifiques définies. En cas de défaillance de l’ordinateur principal, le contrôle revient aux « ponts locaux » qui ont des alimentations électriques indépendantes et sont programmés pour revenir par défaut à un « mode sûr » pertinent pour le processus.
• Augmentation des informations sur le processus - La quantité d’informations disponibles pour les opérateurs et la direction est multipliée par rapport à un système de contrôle distribué (DCS), voir Figure 5.6.9. Les dispositifs individuels (tels que les capteurs et les vannes) sont facilement consultés, visualisés et analysés. Le processus complet, ou des parties individuelles du processus, peuvent être visualisés et analysés pour identifier les restrictions, les possibilités d’amélioration, etc.

• Maintenance proactive - L’ordinateur principal peut effectuer des routines de diagnostic détaillées, testant les défaillances de capteur, les défaillances de sortie, les défaillances mémoire, les erreurs de configuration, les erreurs de communication, la position de la vanne et le temps de course utilisé, le phénomène de stick-slip, etc. Par conséquent, la maintenance et l’étalonnage sont basés sur l’état réel du dispositif plutôt que sur une période de temps, de sorte que la maintenance est réduite à ce qui est strictement nécessaire. Plusieurs dispositifs peuvent effectuer des routines de maintenance et d’étalonnage en même temps. Cela signifie moins d’arrêts ou des arrêts plus courts, donnant une disponibilité accrue de l’installation. Le temps, les matériaux et la main-d’oeuvre gaspillés sur une maintenance inutile sont évités, ce qui signifie que le coût de la maintenance est minimisé.
• Fiabilité du système - La maintenance proactive signifie que l’équipement est bien entretenu.
• Contrôle qualité - Le contrôle centralisé et la possibilité de visualiser le processus en parties ou en totalité améliorent le contrôle qualité.
• Stock de produits - Une meilleure réactivité et flexibilité de l’installation signifie que l’inventaire de produits peut souvent être réduit.
• Pièces de rechange - Grâce à la compatibilité et l’interchangeabilité des composants, l’utilisateur n’est pas lié à un seul fournisseur de composants, les prix sont donc compétitifs. Cela signifie également que l’inventaire de pièces de rechange peut être minimisé, économisant à nouveau des coûts.
• Communications - Le système de contrôle ou l’un de ses composants peut être consulté depuis pratiquement n’importe où, soit via des réseaux informatiques, soit via Internet. Développement d’un système Fieldbus Flexibilité :
• Le système peut facilement être mis à jour pour fonctionner avec des exigences de processus révisées.
• Le système peut facilement être étendu pour prendre en charge des extensions d’installation ou de nouveaux processus.
• La compatibilité avec d’autres systèmes signifie que l’équipement peut être acheté à des prix compétitifs.