Installation et mise en service des systèmes de contrôle

Conseils pratiques d’installation et de mise en service pour les vannes, actionneurs, capteurs, contrôleurs et plus encore.

Vannes

Avant d’installer une control valve, il est nécessaire de s’assurer que la taille, la pression nominale, les matériaux et les raccordements sont tous adaptés aux conditions dans lesquelles la vanne doit fonctionner. Tous les fabricants réputés d’équipements de contrôle automatique fourniront des instructions détaillées couvrant la procédure d’installation correcte de leur équipement. Des données seront également fournies sur la manière de configurer l’équipement, ainsi que sur toute maintenance routinière et régulière à effectuer. Dans la plupart des cas, le fabricant proposera également un service de mise en service sur site. Dans certains cas, un contrat de maintenance après-vente régulier peut être convenu. Le Module 5.5 couvre les points principaux à considérer avant l’installation. La tuyauterie en amont et en aval de la control valve doit être dégagée et sans obstruction. Le fonctionnement correct d’une vanne sera compromis si elle est soumise à des contraintes de distorsion de ligne. Il est important de s’assurer que tous les joints à bride sont d’équerre et que la tuyauterie est correctement supportée. Les control valves doivent généralement être installées dans des pipelines horizontaux avec les tiges verticales. Les systèmes de tuyauterie seront souvent soumis à des tests de pression avant utilisation. Ce test peut être effectué à une pression supérieure aux conditions de fonctionnement normales. Il est nécessaire de s’assurer que la control valve et ses composants internes sont conçus pour résister à cette pression d’essai plus élevée. Les control valves sont essentiellement des instruments et seront endommagées si de la saleté ou d’autres matériaux abrasifs ou obstruants sont autorisés à y pénétrer. Il est essentiel dans la plupart des applications de prévenir cela en installant des filtres en amont de toute control valve. Les vannes doivent également être accessibles pour la maintenance courante, comme le regarnissage des presse-étoupes et le remplacement des pièces internes. Pour faciliter ce type de travail, des vannes d’isolement de type passage intégral de chaque côté de la vanne minimiseront les temps d’arrêt de l’installation pendant les travaux. Si une installation doit rester en fonctionnement en permanence, même lorsqu’une control valve est inspectée ou entretenue, il peut être nécessaire d’installer un by-pass avec vanne. Cependant, la vanne utilisée dans le by-pass doit être de bonne qualité et doit être soit une vanne de régulation caractérisée, soit une autre control valve avec le Kvs correct. Toute fuite à travers elle pendant le fonctionnement normal affectera l’action du système de contrôle. Il n’est pas recommandé d’installer des by-pass manuels en aucune circonstance. La control valve doit être installée pour assurer le bon sens d’écoulement du fluide traversant la vanne. Habituellement, une flèche « sens d’écoulement » est moulée dans le corps de la control valve. La vanne doit avoir une capacité d’écoulement appropriée et entraîner une perte de charge acceptable. Dans les conduites de vapeur, il est important de prévoir un séparateur de vapeur et/ou un point de purge en amont de la vanne, comme montré dans la Figure 5.5.1. Cela empêchera l’entraînement de condensat à travers la control valve, ce qui réduirait autrement sa durée de vie. Ce point de drainage est également important si la control valve est susceptible de rester fermée pendant une certaine durée. Si un drain de condensat n’est pas installé, des coups de bélier et des dommages potentiellement graves peuvent survenir lorsque la vanne s’ouvre. La présence d’un séparateur de vapeur et d’un filtre garantit une bonne condition de la vapeur.

Actionneurs/capteurs

Là encore, les instructions du fabricant doivent être respectées. Les actionneurs sont normalement montés verticalement au-dessus de la control valve, bien que des dispositions différentes puissent être recommandées si un actionneur électrique est monté sur une vanne traitant un fluide à haute température, tel que la vapeur. En général, les actionneurs doivent être éloignés des conditions telles que l’excès de chaleur, l’humidité élevée ou les fumées corrosives. Ceux-ci sont susceptibles de provoquer une défaillance prématurée des composants tels que les membranes ou les éléments électriques/électroniques. Les fabricants doivent indiquer les conditions ambiantes maximales recommandées pour leur équipement. Avec certains actionneurs électriques, si de la condensation est susceptible de se produire à l’intérieur de l’actionneur, des modèles avec un chauffage intégré sont disponibles. Lorsque de telles conditions ne peuvent être évitées, des actionneurs adaptés aux conditions d’installation doivent être achetés. Les enceintes pour actionneurs, positionneurs, etc., porteront généralement un indice de protection conforme à un code électrique national. Cela doit spécifier le degré d’étanchéité de l’ boîtier à l’entrée de poussière et d’eau. Il est inutile d’utiliser un actionneur électrique dont l’enceinte a un faible indice de protection contre l’entrée d’eau, s’il risque d’être lavé au jet ! Il faut veiller à ce que les capteurs soient complètement et correctement immergés pour qu’ils puissent remplir leur fonction de mesure efficacement. L’utilisation de thermopuits permettra l’inspection ou le remplacement sans avoir à vider le système de tuyauterie, le récipient ou l’installation de processus. En revanche, les thermopuits retarderont les temps de réponse. L’utilisation de pâte conductrice de chaleur dans le thermopuits minimisera tout retard de réponse.

Lignes d’alimentation et de signal

Avec un système pneumatique, l’air comprimé et les lignes de signal pneumatiques doivent être secs, exempts d’huile et de saleté, et étanches. Le positionnement du contrôleur pneumatique près de la vanne et de l’actionneur minimisera tout retard dû à la capacité et à la résistance de la ligne de signal. Habituellement, la vanne, l’actionneur et tout positionneur ou convertisseur seront fournis en tant qu’unité complète pré-assemblée. Si ce n’est pas le cas, l’actionneur devra être monté sur la vanne, et le positionneur (pour un contrôle pneumatique) sur l’actionneur. L’ensemble devra alors être correctement configuré, pour s’assurer que la course correcte de la vanne, etc. est obtenue, le tout conformément aux instructions du fabricant.

Câblage électrique pour les contrôles électriques/électroniques et électropneumatiques

Trop souvent, de nombreux problèmes apparents de « contrôle » sont retracés à un câblage incorrect. Pour citer un problème évident rencontré comme exemple extrême, connecter une alimentation de 110 V à un moteur de 24 V entraînera des dommages ! Il faut être prudent avec le système de câblage, conformément aux instructions du fabricant, et sous réserve de toute réglementation locale. Le « bruit » ou les interférences électriques dans les systèmes électriques sont souvent rencontrés, entraînant des problèmes de fonctionnement difficiles à diagnostiquer. L’utilisation de câbles blindés, de conduits séparément mis à la terre ou d’un contrôleur auto-régulant ou analogique peut être nécessaire. Les câbles doivent être protégés contre les dommages mécaniques.

Contrôleurs

Comme mentionné précédemment, l’application produira généralement des changements plus lents que le temps de réponse du système de contrôle. C’est pourquoi les paramètres du contrôleur, la bande proportionnelle ou le gain, le temps intégral et le temps dérivé, doivent être ajustés pour convenir à chaque application/tâche spécifique. Il existe un certain nombre de méthodes pour ajuster les paramètres du contrôleur, dont la plupart impliquent l’utilisation de mathématiques. Le comportement d’une boucle de contrôle peut être prédit mathématiquement mais les caractéristiques du processus ou de l’application sont généralement déterminées par une mesure empirique, ce qui peut être difficile. Des méthodes basées sur les rapports de transfert de chaleur de conception peuvent être trouvées, mais elles sont en dehors de la portée de ce module. Avant de régler les paramètres de contrôle, il est utile de passer en revue chacun des termes de contrôle (P, I et D), et les trois options concernant les réglages, par exemple, trop large, trop étroit, et correct.

Bande P (Figure 5.5.2)

Si la bande P est trop large, un décalage important se produit mais le système est très stable (courbe A). Rétrécir la bande P réduira le décalage. Une bande P trop étroite provoquera une instabilité et des oscillations (courbe B). La bande P optimale, courbe C, est obtenue avec un réglage légèrement plus large que celui provoquant une oscillation permanente.

Résumé de la bande P (action proportionnelle)

Bande P correcte = Bonne stabilité, bonne réponse Un certain décalage

Bande P plus large = Meilleure stabilité, réponse plus lente Décalage plus important

Bande P plus étroite = Instabilité, réponse plus rapide Décalage plus faible avec oscillation

Action intégrale (Figure 5.5.3)

Avec un temps intégral trop court, la température (courbe A) dépassera le point de consigne et des oscillations se produiront. Un temps intégral excessif entraînera un temps trop long pour que la température revienne au point de consigne (courbe B). La courbe C montre un réglage correct du temps intégral où la température revient au point de consigne aussi rapidement que possible sans dépassement ni oscillation.

Action dérivée (Figure 5.5.4)

Un temps dérivé excessif provoquera un changement trop rapide de la température, un dépassement et des oscillations (courbe B). Un temps dérivé trop court permet à la température de s’écarter du point de consigne trop longtemps (courbe A). Le réglage optimal ramène la température au point de consigne aussi rapidement que possible et est compatible avec une bonne stabilité (courbe C).

Méthodes pratiques de réglage d’un contrôleur

Chaque contrôleur doit être réglé individuellement pour correspondre aux caractéristiques d’un système particulier. Bien qu’il existe un certain nombre de techniques différentes par lesquelles un contrôle stable et rapide peut être atteint, la méthode de Ziegler-Nichols s’est avérée très efficace.

La méthode de Ziegler-Nichols

La méthode de réponse en fréquence de Ziegler-Nichols (parfois appelée méthode d’oscillation critique) est très efficace pour établir les réglages du contrôleur pour la charge réelle. La méthode utilise le contrôleur comme amplificateur pour atteindre le point d’instabilité. À ce point, tout le système fonctionne de telle sorte que la température fluctue autour du point de consigne avec une amplitude constante (voir Figure 5.5.5). Une petite augmentation du gain, ou une réduction de la bande proportionnelle, rendra le système instable, et la control valve commencera à osciller avec une amplitude croissante. Inversement, une bande proportionnelle augmentée rendra le processus plus stable et l’amplitude sera successivement réduite. Au point d’instabilité, la caractéristique du système est obtenue pour les conditions de fonctionnement réelles, incluant l’échangeur de chaleur, la control valve, l’actionneur, la tuyauterie et le capteur de température. Les réglages du contrôleur peuvent être déterminés via la méthode de Ziegler-Nichols en lisant la période (Tn) des cycles de température ; et le réglage réel de la bande proportionnelle au point d’instabilité.

La procédure de sélection des réglages pour les paramètres PID, utilisant la méthode de Ziegler-Nichols, est la suivante :

1. Supprimer l’action intégrale sur le contrôleur en augmentant le temps intégral (Ti) à son maximum.
2. Supprimer l’action dérivée du contrôleur en réglant le temps de dérivation (TD) à 0.
3. Attendre que le processus atteigne une condition stable.
4. Réduire la bande proportionnelle (augmenter le gain) jusqu’à ce que le point d’instabilité soit atteint.
5. Mesurer le temps pour une période (Tn) et enregistrer le réglage réel de la bande P (bande proportionnelle) sur le contrôleur à ce point.
6. En utilisant ce réglage comme point de départ, calculer les réglages appropriés du contrôleur selon les valeurs de la Figure 5.5.6.

Fig 5.5.6 Calcul de Ziegler-Nichols

	Bande proportionnelle	Temps intégral	Temps dérivé
Contrôle P I D	Bande P x 1.7	Tn/2	Tn/8
Contrôle P I	Bande P x 2.2	Tn/1.2
Contrôle P	Bande P x 2.0

Les réglages du contrôleur peuvent être ajustés davantage pour augmenter la stabilité ou la réponse. L’impact du changement des réglages des paramètres PID sur la stabilité et la réponse du contrôle est montré dans la Figure 5.5.7.

Fig. 5.5.7 Effet du changement des réglages PID

Transfert sans à-coups

Les spécifications techniques des contrôleurs incluent de nombreux autres termes et l’un qui est fréquemment rencontré est le « transfert sans à-coups » (bumpless transfer). La plupart des contrôleurs incorporent un commutateur « Manuel » – « Auto » et il peut y avoir des moments où certaines situations de contrôle nécessitent un contrôle manuel. Cela rend l’interruption de la boucle de contrôle automatique nécessaire. Sans transfert sans à-coups, le passage de Auto à Manuel et vice-versa signifierait que les niveaux de contrôle seraient perdus, à moins que la sortie manuelle ne soit ajustée à la sortie automatique. Le transfert sans à-coups garantit que les sorties - soit Manuel à Auto, soit Auto à Manuel - correspondent, et il est seulement nécessaire de déplacer le commutateur comme approprié.

Contrôleurs à auto-réglage

Les microprocesseurs contemporains offrent la capacité pour certaines fonctions, qui nécessitaient auparavant un ordinateur, d’être intégrées dans l’espace confiné d’un contrôleur. Parmi celles-ci, se trouvait la capacité de « s’auto-régler ». Des contrôleurs qui ne nécessitent plus qu’un ingénieur de mise en service pour effectuer le processus de réglage des termes P I D sont disponibles depuis de nombreuses années. Le contrôleur à auto-réglage passe en contrôle tout-ou-rien pendant une certaine période de temps. Pendant cette période, il analyse les résultats de ses réponses, et calcule et règle ses propres termes P I D. Autrefois, la fonction d’auto-réglage ne pouvait s’appliquer que lors du démarrage du système ; une fois fixés par le contrôleur, les termes P I D restaient constants, indépendamment de tout changement ultérieur dans le processus. Le contrôleur moderne peut désormais exécuter ce qu’on appelle une fonction adaptative, qui non seulement fixe les termes P I D initiaux requis, mais surveille et re-règle ces termes si nécessaire, en fonction des changements dans le processus pendant les conditions de fonctionnement normaux. De tels contrôleurs sont facilement disponibles et relativement peu coûteux. Leur utilisation devient de plus en plus répandue, même pour des tâches de contrôle relativement simples.