Contrôleurs et capteurs

Les contrôleurs et les capteurs sont des éléments importants du système de commande ; sans les informations du capteur, le contrôleur ne peut prendre de décision ni commander le mouvement de la valve. Ce tutoriel discute brièvement les différents types de contrôleurs et de capteurs disponibles et leur fonctionnement. Une brève explication des signaux de commande numériques et analogiques est également donnée.

Contrôleurs Il est important de déclarer dès le départ que toutes les applications de commande n’ont pas besoin d’un contrôleur sophistiqué.

Une valve tout ou rien et un actionneur, par exemple, peuvent être actionnés directement à partir d’un thermostat. Un autre exemple est le fonctionnement des commandes de sécurité de limite haute, qui ont une action « à rupture » pour fermer les valves ou couper les alimentations en combustible.

Cependant, lorsque les exigences de commande deviennent plus sophistiquées, un contrôleur est nécessaire pour répondre à ces exigences.

Le contrôleur reçoit un signal, décide quelle action est nécessaire, puis envoie un signal à l’actionneur pour le faire bouger.

À l’ère de la micropuce, des circuits intégrés et des ordinateurs, les fonctions remplies par le contrôleur peuvent être très complexes.

Cependant, puisqu’une analogie entre le cerveau humain et les contrôleurs/ordinateurs a été faite dans des modules précédents, le célèbre slogan d’IBM peut être paraphrasé :

Ordinateur - Rapide, précis et stupide

Être humain - Lent, négligent et brillant

En résumé, le contrôleur ne résoudra pas tous les problèmes. Il doit être correctement sélectionné et mis en service, sujets qui seront traités plus tard.

Bien que la plupart des contrôleurs soient maintenant électroniques numériques/à microprocesseur, une gamme de contrôleurs pneumatiques est commercialement disponible. Ceux-ci pourraient être utilisés dans des zones dangereuses où le risque d’explosion interdit l’utilisation de l’électricité/de l’électronique. Il est possible de rendre les équipements électriques « intrinsèquement sûrs » ou antidéflagrants ou coupe-flammes, cependant, il y a généralement un coût substantiel impliqué.

Comme mentionné précédemment, les fonctions remplies par le contrôleur peuvent être très complexes et il dépasse la portée de cette publication de les lister en détail ou d’expliquer leur fonctionnement.

Les principales variations qui nécessitent une considération sont les suivantes :

Contrôleur à boucle unique

Actionne une valve/un actionneur à partir d’un seul capteur.

Contrôleur multi-boucles

Peut actionner plus d’une valve/d’un actionneur à partir de plus d’un capteur.

Entrée/sortie unique

Ne peut accepter qu’un signal du capteur et en envoyer qu’un seul à l’actionneur.

Entrée/sortie multiple (multi-canaux)

Peut accepter plusieurs signaux et envoyer plusieurs signaux.

Temps réel

Peut inclure une horloge pour commuter à des heures prédéterminées et préréglées.

Temps écoulé

Peut commuter à une durée prédéterminée et préréglée avant ou après que d’autres éléments de l’installation ont été mis en marche ou arrêtés.

Rampe et palier

En utilisant la température comme exemple, la capacité d’augmenter la température d’un milieu commandé sur une période de temps spécifiée puis de la maintenir à une valeur préréglée. De tels contrôleurs incorporent fréquemment une série de rampes et de paliers.

La Figure 6.7.1 montre un contrôleur électronique typique à boucle unique. Celui-ci a une action P + I + D (discutée dans les Modules 5.2 et 5.4), adapté à une alimentation de 110 ou 230 volts.

La Figure 6.7.2 montre un contrôleur pneumatique à boucle unique avec action P.

Différents modèles peuvent être sélectionnés pour commander la température ou la pression.

Un contrôleur à boucle unique, ayant la capacité d’exécuter des fonctions de rampe et de palier, peut avoir un modèle de séquence typique comme celui montré à la Figure 6.7.3. Celle-ci montre une série de rampes (changement de température) et de paliers (maintien de la température) exécutés sur une période de temps.

Un terme fréquemment trouvé dans la littérature de commande est « Contrôleur Logique Programmable (PLC) ». Dans un processus par lots, le contrôleur doit déclencher une séquence d’actions, par exemple, mettre en marche ou arrêter des valves ou des pompes. Dans certains cas, toute la séquence est basée sur une minuterie, mais souvent les différentes étapes peuvent être déclenchées par une condition spécifique atteinte et maintenue pendant une certaine période ; par exemple une certaine température atteinte ou un récipient rempli. Ces séquences peuvent être contrôlées par un PLC, un dispositif à micro-ordinateur qui utilise des interfaces standard pour les capteurs et les actionneurs pour contrôler le processus. Un autre type de contrôleur complexe est le contrôleur de salle des machines, qui pourrait être utilisé pour contrôler la chaudière, la pompe, la control valve de chauffage, la valve d’eau chaude sanitaire, ainsi que fournir un certain nombre d’autres fonctionnalités. Capteurs Dans cette section, le sujet de la mesure de température sera couvert plus largement. Il existe une grande variété de capteurs et de transducteurs disponibles pour mesurer la pression, le niveau, l’humidité et d’autres propriétés physiques. Le capteur est la partie du système de commande qui subit le changement dans la variable commandée. Le capteur peut être d’un type où un changement de température entraîne un changement de tension ou peut-être un changement de résistance.

Le signal du capteur peut être très petit, créant le besoin d’un conditionnement et d’une amplification locaux du signal pour le lire efficacement. Un petit changement de résistance signalé par un capteur en réponse à un changement de température, peut, par exemple, être converti en une tension ou un courant électrique pour la transmission au contrôleur.

Le système de transmission lui-même est une source potentielle d’erreur.

Le câblage entraîne une résistance électrique (mesurée en ohms), ainsi qu’une sensibilité aux interférences électriques (bruit). Dans un système pneumatique comparable, il peut également y avoir de minuscules fuites dans le système de tuyauterie.

Le terme « thermostat » est généralement utilisé pour décrire un capteur de température avec commutation tout ou rien.

« Transducteur » est un autre terme courant, et se réfère à un dispositif qui convertit une caractéristique physique en une autre ; par exemple, la température en tension (millivolts).

Un exemple de transducteur est un dispositif qui convertit un changement de température en un changement de résistance électrique.

Avec les dispositifs pneumatiques, le mot « transmetteur » est fréquemment rencontré. C’est simplement une autre description de transducteur ou de capteur, mais généralement avec un conditionnement de signal supplémentaire.

Cependant, le dispositif de mesure réel est généralement désigné comme le capteur, et les types les plus courants seront décrits dans la section suivante.

Capteurs à système rempli Avec les contrôleurs pneumatiques, des capteurs à système rempli sont employés. La Figure 6.7.4 illustre les principes d’un tel système.

Un terme fréquemment trouvé dans la littérature de commande est « Contrôleur Logique Programmable (PLC) ». Dans un processus par lots, le contrôleur doit déclencher une séquence d’actions, par exemple, mettre en marche ou arrêter des valves ou des pompes. Dans certains cas, toute la séquence est basée sur une minuterie, mais souvent les différentes étapes peuvent être déclenchées par une condition spécifique atteinte et maintenue pendant une certaine période ; par exemple une certaine température atteinte ou un récipient rempli. Ces séquences peuvent être contrôlées par un PLC, un dispositif à micro-ordinateur qui utilise des interfaces standard pour les capteurs et les actionneurs pour contrôler le processus.

Un autre type de contrôleur complexe est le contrôleur de salle des machines, qui pourrait être utilisé pour contrôler la chaudière, la pompe, la control valve de chauffage, la valve d’eau chaude sanitaire, ainsi que fournir un certain nombre d’autres fonctionnalités.

Lorsque la température change, le fluide se dilate ou se contracte, provoquant le redressement du tube de Bourdon. Parfois un soufflet est utilisé à la place d’un tube de Bourdon.

Dans le passé, le remplissage a souvent été du mercure. Lorsqu’il est chauffé, il se dilate, provoquant le déroulement du tube de Bourdon ; le refroidissement provoque la contraction et force le tube de Bourdon à s’enrouler plus serré. Ce mouvement en spirale est utilisé pour actionner des leviers à l’intérieur du contrôleur pneumatique lui permettant d’accomplir sa tâche. Une version de détection de pression utilisera simplement un tube de pression connecté au tube de Bourdon. Remarque : pour des raisons de santé et de sécurité, le mercure est maintenant moins souvent utilisé. À la place, un gaz inerte tel que l’azote est souvent employé.

Détecteurs de température à résistance (RTD)

Les RTD (Figure 6.7.5) exploitent le fait que la résistance électrique de certains métaux change lorsque la température varie. Ils agissent comme des transducteurs électriques, convertissant les changements de température en changements de résistance électrique. Le platine, le cuivre et le nickel sont trois métaux qui répondent aux exigences des RTD et la Figure 6.7.6 montre la relation entre la résistance et la température. Un détecteur de température à résistance est spécifié en termes de sa résistance à 0°C et du changement de résistance de 0°C à 100°C. Les RTD les plus largement utilisés pour les applications typiques couvertes dans ces modules sont les RTD en platine. Ceux-ci sont construits avec une résistance de 100 ohms à 0°C et sont souvent appelés capteurs Pt100. Ils peuvent être utilisés sur une plage de température de -200°C à +800°C avec une haute précision (±0,5%) entre 0°C et 100°C. Comme on peut le voir à la Figure 6.7.6, l’augmentation de la résistance avec la température est pratiquement linéaire. Les Pt100 ont un changement de résistance relativement petit, ce qui nécessite une mesure soigneuse. La résistance dans les câbles de connexion doit être correctement compensée.

Thermistances Les thermistances utilisent des matériaux semi-conducteurs, qui ont un grand changement de résistance avec l’augmentation de la température, mais sont non linéaires. La résistance diminue en réponse à l’augmentation des températures (thermistance à coefficient négatif), comme montré à la Figure 6.7.7. Des thermistances à coefficient positif peuvent être fabriquées où la résistance augmente avec l’augmentation de la température (Figure 6.7.8) mais leur courbe de réponse les rend généralement inadaptées à la détection de température. Les thermistances sont moins complexes et moins coûteuses que les RTD mais n’ont pas la même haute précision et répétabilité. Leur haute résistance signifie que la résistance du câble de connexion est moins importante. Thermocouples Si deux métaux dissemblables sont joints en deux points et que la chaleur est appliquée à une jonction (comme montré à la Figure 6.7.9), un courant électrique circulera dans le circuit. Les thermocouples produisent une tension correspondant à la différence de température entre la jonction de mesure (chaude) et la jonction de référence (froide). La température de la jonction froide de référence doit être connue avec précision si le thermocouple lui-même doit fournir une détection précise. Traditionnellement, la jonction froide était immergée dans de la glace fondante (0°C), mais la température de la jonction froide est maintenant mesurée par une thermistance ou un RTD et, à partir de cela, la température indiquée, généralement à la jonction de mesure, est corrigée. C’est ce qu’on appelle la compensation de jonction froide.

N’importe quelle paire de métaux dissemblables pourrait être utilisée pour fabriquer un thermocouple. Mais au fil des ans, un certain nombre de types standard ont évolué qui ont une relation tension/température documentée. Les types standard sont désignés par des lettres, c’est-à-dire, Type J, K, T et autres. Le thermocouple polyvalent le plus largement utilisé est le Type K. Les métaux dissemblables utilisés dans ce type sont le Chrome (90% nickel, 10% chrome) et l’Alumel (94% nickel, 3% manganèse, 2% aluminium et 1% silicium) et peuvent être utilisés entre 0°C et 1 260°C. La Figure 6.7.10 illustre la sensibilité des thermocouples Type K, et on peut voir que la tension de sortie est linéaire sur toute la plage. Des fils de rallonge sont utilisés pour connecter la jonction de mesure à la jonction de référence dans le boîtier de l’instrument. Ces fils de rallonge peuvent être du même matériau que les fils du thermocouple lui-même, ou peuvent être un câble de compensation en alliage cuivre et cuivre-nickel. Les deux fils de rallonge doivent être du même matériau. Les thermocouples sont disponibles dans une grande variété de tailles et de formes. Ils sont peu coûteux et robustes et raisonnablement précis, avec de larges plages de température. Cependant, la température de la jonction de référence doit être maintenue à une valeur constante sinon les déviations doivent être compensées. Les faibles tensions de jonction signifient que des câbles blindés spéciaux et une installation soigneuse doivent être utilisés pour empêcher les interférences électriques ou le « bruit » de déformer les signaux.

Exemple 6.7.1 Imaginez deux personnes, la personne A et la personne B, chacune sur des collines opposées et chacune avec un drapeau et un mât. L’objectif est que la personne A communique avec la personne B en élevant son drapeau à une certaine hauteur. La personne A élève son drapeau à mi-hauteur de son mât. La personne B voit cela et élève également son drapeau à mi-hauteur. À mesure que la personne A déplace son drapeau vers le haut ou le bas, la personne B fait de même pour correspondre. Cela serait similaire à un système analogique.

Exemple 6.7.2 Supposons maintenant que la personne A n’a pas de mât mais a deux panneaux, l’un avec le chiffre « 0 » et l’autre avec le chiffre « 1 », et veut à nouveau que la personne B élève son drapeau à mi-hauteur, c’est-à-dire à une hauteur de 50% de son mât. Le nombre binaire de 50 est 110010, il affiche donc ses panneaux, deux à la fois, dans l’ordre correspondant. La personne B lit ces panneaux, les traduit pour signifier 50 et élève son drapeau exactement à mi-hauteur. Cela serait similaire à un système numérique.

On peut voir que le système numérique est plus précis car l’information est soit un « 1 » soit un « 0 » et la position peut être définie avec précision. L’exemple analogique n’est pas aussi précis car la personne B ne peut pas déterminer si le drapeau de la personne A est exactement à 50%. Il pourrait être à 49% ou 51%. C’est pour cette raison, conjointement avec une intégration plus élevée des circuits de microprocesseur, que les signaux numériques deviennent de plus en plus utilisés.

Adressage numérique L’adressage numérique permet à un contrôleur d’envoyer des informations sur un ensemble de fils sur lesquels plusieurs récepteurs sont connectés et pourtant être capable de communiquer avec un seul de ces récepteurs si nécessaire. Cela se fait en attribuant une adresse à chaque récepteur, que le contrôleur doit diffuser en premier.

Pour expliquer cela, considérons l’exemple numérique ci-dessus mais supposons maintenant qu’il y a une autre personne, la personne C sur une troisième colline. La personne B et la personne C peuvent toutes deux voir la personne A, donc la personne A doit d’abord indiquer à qui elle communique.

Cela se fait avec le premier panneau. Si le premier panneau est un « 0 », alors toutes les données suivantes sont destinées à la personne B qui ajuste son drapeau en conséquence. Inversement, si le premier panneau est un « 1 », alors toutes les données suivantes sont destinées à la personne C. D’où la personne B a une adresse numérique de « 0 » et la personne C a une adresse numérique de « 1 » ; chaque personne sait que le premier nombre à être vu par elle se réfère à l’adresse et non au message. HART®, PROFIBUS® et Foundation™ Fieldbus.

Qu’est-ce que le PROFIBUS® ? Le PROFIBUS® est un standard de fieldbus ouvert pour un large éventail d’applications dans l’automatisation de la fabrication et des processus, indépendant des fabricants. L’indépendance vis-à-vis des fabricants et la transparence sont assurées par les normes internationales EN 50170, EN 50254 et IEC 61158.

Il permet la communication entre des dispositifs de différents fabricants sans ajustement d’interface spécial. Le PROFIBUS® peut être utilisé à la fois pour des applications critiques en temps réel à haute vitesse et des tâches de communication complexes. Le PROFIBUS® offre des protocoles de communication fonctionnellement gradués DP et FMS. Selon l’application, les technologies de transmission RS-485, IEC 1158-2 ou fibres optiques peuvent être utilisées.

Il définit les caractéristiques techniques d’un système de Fieldbus® série avec lequel des contrôleurs programmables numériques distribués peuvent être mis en réseau, du niveau terrain au niveau cellule. Le PROFIBUS® est un système multi-maître et permet ainsi le fonctionnement conjoint de plusieurs systèmes d’automatisation, d’ingénierie ou de visualisation avec leurs périphériques distribués sur un seul bus.

Au niveau capteur/actionneur, les signaux des capteurs et actionneurs binaires sont transmis via un bus capteur/actionneur. Les données sont transmises purement de manière cyclique.

Au niveau terrain, les périphériques distribués, tels que les modules E/S, les transducteurs de mesure, les unités d’entraînement, les valves et les terminaux opérateur communiquent avec les systèmes d’automatisation via un système de communication en temps réel efficace. Comme pour les données, les alarmes, les paramètres et les données de diagnostic peuvent également être transmis cycliquement si nécessaire.

Au niveau cellule, les contrôleurs programmables tels que le PLC et l’IPC peuvent communiquer entre eux. Le flux d’informations nécessite de grands paquets de données et un grand nombre de fonctions de communication puissantes, telles qu’une intégration transparente dans les systèmes de communication à l’échelle de l’entreprise, tels que l’Intranet et l’Internet via TCP/IP et Ethernet.

Qu’est-ce que Foundation™ Fieldbus ? Foundation™ Fieldbus est un système de communication numérique, série et bidirectionnel qui sert de réseau local (LAN) pour l’instrumentation et les dispositifs de commande d’usine/d’installation. L’environnement Fieldbus® est le groupe de base des réseaux numériques dans la hiérarchie des réseaux d’installation. Foundation™ Fieldbus est utilisé dans les applications d’automatisation des processus et de la fabrication et a une capacité intégrée de distribuer l’application de commande à travers le réseau.

Contrairement aux protocoles réseau propriétaires, Foundation™ Fieldbus n’est ni détenu par une entreprise individuelle, ni régulé par une seule nation ou un seul organisme de normalisation. La Foundation™ Fieldbus, une organisation à but non lucratif composée de plus de 100 des principaux fournisseurs mondiaux de contrôle et d’instrumentation et d’utilisateurs finaux, contrôle la technologie.

Bien que Foundation™ Fieldbus conserve de nombreuses caractéristiques souhaitables du système analogique 4-20 mA, telles qu’une interface physique standardisée vers le fil, des dispositifs alimentés par bus sur un seul fil, et des options de sécurité intrinsèque, il offre également de nombreux autres avantages.

Interopérabilité des dispositifs Foundation™ Fieldbus offre l’interopérabilité ; un dispositif Fieldbus® peut être remplacé par un dispositif similaire avec des fonctionnalités supplémentaires d’un fournisseur différent sur le même réseau Fieldbus® tout en maintenant les opérations spécifiées. Cela permet aux utilisateurs de « mélanger et assortir » des dispositifs terrain et des systèmes hôtes de divers fournisseurs. Les dispositifs Fieldbus® individuels peuvent également transmettre et recevoir des informations multivariables, et communiquer directement les uns avec les autres sur un Fieldbus® commun, permettant d’ajouter de nouveaux dispositifs au Fieldbus® sans perturber les services.

Données de processus améliorées Avec Foundation™ Fieldbus, de multiples variables de chaque dispositif peuvent être intégrées dans le système de commande de l’installation pour analyser les tendances, optimiser les processus et générer des rapports. L’accès à des données précises et à haute résolution permet d’affiner les processus pour une meilleure productivité, moins d’arrêts et de meilleures performances de l’installation.

Vue d’ensemble du processus Les dispositifs Fieldbus® modernes, avec de puissantes capacités de communication à base de microprocesseur, permettent de reconnaître les erreurs de processus plus rapidement et avec une plus grande certitude. En conséquence, les opérateurs d’installation sont avertis des conditions anormales ou de la nécessité d’une maintenance préventive, permettant au personnel d’envisager des décisions proactives. Les efficacités opérationnelles inférieures sont corrigées plus rapidement, permettant à la production d’augmenter tandis que les coûts des matières premières et les problèmes réglementaires diminuent.

Sécurité améliorée dans l’installation La technologie Fieldbus aide les usines de fabrication à répondre aux exigences de sécurité strictes. Elle peut fournir aux opérateurs des avertissements plus précoces des conditions potentiellement dangereuses, permettant ainsi de prendre des mesures correctives pour réduire les arrêts non planifiés. Les capacités de diagnostic améliorées de l’installation offrent également un accès moins fréquent aux zones dangereuses, minimisant ainsi les risques pour le personnel.

Maintenance prédictive facilitée Les capacités de diagnostic améliorées des dispositifs permettent de surveiller et de suivre des conditions insidieuses telles que l’usure des valves et l’encrassement des transmetteurs. Le personnel de l’installation est en mesure d’effectuer une maintenance préductive sans attendre un arrêt planifié, réduisant ainsi ou même évitant les temps d’arrêt.

Réduction des coûts de câblage et de maintenance L’utilisation du câblage existant et des connexions multipoint offre des économies significatives sur les coûts d’installation du réseau. Cela comprend des réductions des barrières de sécurité intrinsèque et des coûts de câblage, en particulier dans les zones où le câblage est déjà en place.

Des économies de coûts supplémentaires peuvent être réalisées grâce au temps réduit nécessaire à la construction et au démarrage, ainsi qu’à la programmation simplifiée des fonctions de commande et de logique utilisant des blocs de commande logiciels intégrés aux dispositifs Fieldbus®.

Pour connaître les modèles spécifiques de contrôleurs et positionneurs Spirax Sarco, consultez le contrôleur SX80, le positionneur SP400, le positionneur intelligent SP500, positionneur électro-pneumatique EP5 et le positionneur électro-pneumatique EP500.