Le paramètres de procédé à réguler les plus courants sont:
- débit
- température
- pression
- niveau
et aussi parfois des paramètres liés à la qualité des fluides tels que:
- pH
- conductivité
- viscosité
Dans la plupart des cas ces paramètres sont influencés par la variation
du débit d'un fluide (fluide chauffant ou refroidissant, fluide de
remplissage, fluide réactif, ...) ou le fonctionnement d'un équipement
(pompe, ventilateur, résistance chauffante, ...)
Un système de régulation comprend:
- un capteur de mesure de la grandeur à réguler
-
un équipement (organe réglant) permettant de faire varier un débit de
fluide ou
d'énergie (vanne, variateur de vitesse, ...). La grandeur à réguler
doit bien sûr être sensible au variations de
débit réglé.
- un régulateur sur lequel on défini une
consigne, qui est
la valeur de la grandeur mesurée qu'on souhaite atteindre ou
maintenir. Le régulateur sera capable d'agir, directement ou
indirectement, sur l'organe réglant.
Un tel ensemble est nommé
boucle
de régulation.
Le
rôle du régulateur est d'ajuster la position de l'organe réglant afin
de faire
concorder la valeur mesurée et le point de
consigne.
Le régulateur compare en permanence la mesure de la grandeur à
réguler et la
consigne, et agit sur l'organe réglant. Typiquement cette
action sera
suivant les cas:
- l'ouverture ou la fermeture d'une vanne
- la mise en service ou l'arrêt d'un équipement
- ...
Eléments
d'une boucle de régulation
Capteur
Le capteur est l'élément sensible au paramètre physique à mesurer. Le
type de mesure effectuée dépend de la technologie du capteur. Par
exemple on mesurera:
- la résistance électrique d'un capteur de température Pt100
- une pression différentielle sur un débit-mètre à orifice
- une pression statique sur une mesure de niveau à membrane
- ...
Transmetteur
Le transmetteur converti la mesure physique adaptée au capteur, en
signal pouvant être interprété par les autres éléments de la chaîne de
traitement.
Le signal transmit peut être sous forme analogique ou digitale:
- un signal analogique a une variation continue, et peut prendre un nombre infini de valeurs.
- un signal digital ou numérique, ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs (0,1,2,...).
Jusque
dans les années 1960, les systèmes de régulation de procédés
utilisaient une pression d'air comprise entre 0,2 et 1 bar, véhiculée
par des tuyauteries de faible diamètre. Cela limitait fortement les
distances autorisées entre les éléments. Les régulateurs eux-même
utilisaient l'air dans leur principe de fonctionnement. A partir des
années 1970, la transmission de signal utilise un courant électrique
compris entre 4 et 20mA (ou plus rarement 0 et 10v). Les régulateurs
deviennent électroniques avec l'utilisation d'amplificateurs
opérationnels.
Dans les années 1990 sont apparus les éléments utilisant les signaux numériques (transmetteurs et controleurs programmables).
Le
transmetteur est paramétrable; la valeur physique correspondant au
minimum de l'échelle (4mA ou 0v) est ajustable grâce au réglage du
zéro; la valeur physique correspondant à son maximum (20mA ou
10v) est réglable par la valeur de gain.
Les
transmetteurs les plus modernes sont dit intelligents quand ils
permettent une correction de la valeur fournie par le capteur pour
tenir compte de paramètres perturbateurs (correction de pression et
température par exemple). De plus ils peuvent transmettent la valeur
de la grandeur mesurée sous forme digitale, l'afficher localement,
communiquer avec un bus, ....
Convertisseur
analogique → digital
Les régulateurs les plus modernes sont numériques. Ils doivent recevoir
du
capteur une information de type numérique codée sur 12, 13 ou 14 bits.
Le convertisseur a pour fonction de convertir le signal 4-20mA ou 0-10v
envoyé
par le transmetteur en valeur numérique comprise entre 0 (4mA ou 0v) et
4095
(20mA ou 10v) si la valeur est codée avec 12 bits.
Si le régulateur est analogique, le signal 4-20mA n'a pas besoin d'être
converti. Il sera traité tel quel par le régulateur.
Régulateur
Le régulateur lui-même effectue le traitement des
informations et décide de l'action sur l'organe réglant. Si le
régulateur est numérique:
- il calcule l'écart entre mesure et consigne
- il calcule une valeur de sortie fonction des paramètres de
réglage PID (gain, intégrale et dérivée)
Cette valeur de sortie est également une valeur numérique qui pour des
raisons pratiques est exprimée en pourcentage d'échelle (de 0 à 100%)
Si
le régulateur est analogique, le signal 4-20mA des entrée est traité
par des amplificateurs opérationnels pour fournir un signal de sortie
également en 4-20mA.
Convertisseur digital
→ analogique
Ce convertisseur
placé sur la sortie d'un régulateur numérique convertira la valeur
fournie en signal normalisé 4-20mA ou 0-10v
utilisable par le positionneur.
Positionneur
Le positionneur
opère conjointement avec le servo moteur. Si le servo moteur est
pneumatique, il ajustera la pression d'air pour que l'organe réglant
prenne bien la position demandée par le régulateur.
Servo-moteur
Le servo moteur actionne l'organe réglant
(généralement une vanne). Il peut être électrique, ou bien à fluide
moteur, pneumatique ou hydraulique.
Il est:
- à simple effet si le fluide moteur n'agit que dans un seul
sens, un ressort agissant en sens inverse
- à double effet si le fluide moteur agit dans les deux sens
Il peut être choisi pour:
- fermer la vanne par manque de fluide moteur (le ressort
agira pour fermer la vanne)
- ouvrir la vanne par manque de fluide moteur (le
ressort agira pour ouvrir la vanne)
- maintenir la vanne en position par manque de
fluide moteur
Modes
d'action des régulateurs
Les modes d'action sur l'organe réglant sont:
- action tout
ou rien
- action proportionnelle
(P)
- action proportionnelle
et intégrale (PI)
- action proportionnelle,
intégrale et dérivée (PID)
Action tout
ou rien
Les positions de l'organe réglant, selon son type, sont limitées à:
- marche ou arrêt
- ouvert ou fermé
Si
la mesure est supérieure au point de consigne, l'organe de réglage est
placé dans une position, tandis qu'il sera placé dans l'autre position
si la mesure devient inférieure au point de consigne.
Les positions de l'organe réglant seront choisies afin de toujours
ramener la mesure au plus prêt du point de consigne.
La mesure oscillera continuellement autour du point de consigne, sans
jamais pouvoir se stabiliser.
Un tel mode d'action sera choisi quand:
- on recherche un système simple et peu couteux
- on n'a pas besoin d'une grande precision de réglage
- le besoin d'action est peu fréquent
Un tel régulateur peut être mécanique ou électronique. Un
thermostat à bilames métallique est un exemple de sytème de régulation
mécanique tout ou rien.
Action
proportionnelle
(P)
Le mode d'action proportionnelle ne peut s'appliquer que si une
variation continue de l'organe réglant est possible, ou bien si on peut
faire varier de manière continue les temps de fonctionnement ou d'arrêt
d'un équipement.
Par exemple:
- une vanne de réglage avec un servo moteur pouvant prendre
toute position d'ouverture entre 0 et 100%
- un brûleur de chaudière dont le temps de fonctionnement
pourrait être ajusté entre 0 et 60mn par heure (ou entre 0 et 10 mn par
tranche de 10 mn).
Dans
le mode d'action proportionnelle, l'action du régulateur
sur l'organe réglant est proportionnelle à l'écart entre mesure et
consigne. Ainsi plus l'écart à la consigne est grand plus l'action sur
l'organe réglant est important. Par contre, si un débit de fluide
continu est nécessaire pour maintenir constante la mesure, l'écart
entre mesure et consigne ne pourra jamais être nul. Le point de
consigne ne sera alors jamais atteint par la mesure. Le mode d'action
proportionnelle permet d'avoir une action proportionnée sur
l'organe réglant, mais ne permet pas de garantir le
respect d'une consigne.
On apelle gain
le coefficient de proportionalité entre l'écart mesure-consigne et la
sortie du régulateur. On utilise aussi le terme de bande proportionnelle
pour désigner la variation de mesure qui provoque une variation de
sortie du régulateur de 0 à 100%.
Le
gain a une influence sur l'écart résiduel à la consigne constaté avec
une action seulement proportionnelle. Plus le gain est important, plus
l'écart résiduel à la consigne est réduit. Mais un gain trop important
est source d'instabilités et de pompages.
Un tel régulateur peut être mécanique ou électronique. Un
régulateur de niveau à flotteur actionnant directement l'ouverture de
la vanne de remplissage (typiquement un mécanisme de remplissage de
chasse d'eau) est un exemple de sytème de régulation mécanique
proportionnelle.
Action
proportionnelle
et intégrale (PI)
Par construction, une action proportionnelle pure ne permet
pas à la
mesure d'atteindre le point de consigne si une ouverture permanente de
l'organe réglant est nécessaire. Il subsistera un écart permanent entre
mesure et consigne. Il sera comblé en ajoutant à l'action
proportionnelle une action dite intégrale, d'autant plus importante que
l'écart entre mesure et consigne persiste longtemps.
L'action intégrale est affectée d'un signe. Elle est positive si elle
doit renforcer l'action proportionnelle, et négative si elle doit
l'atténuer.
Le paramètre de réglage de l'action intégrale s'exprime en:
- nombre (N) de répétition de l'action proportionnelle par
minute
- ou en minutes (T) pour augmenter l'action d'une valeur
égale à l'action proportionnelle
en fonction de la configuration du régulateur, avec N = 1/T
Exemple:
Un réservoir de liquide duquel un débit permanent est soutiré, doit
être maintenu à niveau constant en agissant sur l'ouverture d'une vanne
de remplissage.
Le régulateur ouvre la vanne de remplissage lorsque le niveau est sous
le point de consigne. Si l'action est uniquement proportionnelle, le
niveau sera
stabilisé à une valeur inférieure au point de consigne afin de
maintenir une ouverture minimum de la vanne. Ainsi, si le gain du
régulateur est égal à 2, l'écart mesure-consigne sera par exemple de
10% pour une
ouverture à 20% de la vanne de remplissage.
L'action intégrale tendra
à augmenter l'ouverture de la vanne de remplissage afin de combler
l'écart résiduel. Ainsi si l'action intégrale est réglée à 1
répétition/mn, l'action du régulateur augmentera de:
- 20%/mn pour un écart consigne-mesure = 20%
- 2%/mn pour un écart consigne-mesure = 2%
- etc ...
L'écart
mesure-consigne diminuant, l'action proportionnelle devient
progressivement nulle, et la sortie du régulateur en régime stabilisé
ne provient que du cumul de l'action intégrale. Cependant un mode
d'action uniquement intégral n'est pas utilisable, sa réaction à une
perturbation étant généralement trop lente. Le bon compromis est
généralement une action proportionnelle avec un gain peu important pour
une bonne stabilité, associée à une action intégrale pour une bnne
précision de réglage sur le long terme.
Une
vigilence particulière doit être apportée en cas d'arrêt du procédé
régulé. L'action intégrale est basée sur un cumul dans le temps de
l'écart à la consigne. Lorsque la mesure rejoint sa consigne, le cumul
s'arrête naturellement. Mais si le procédé est durablement hors
contrôle ou arrêté, si rien n'est fait, le cumul se poursuit pendant ce
temps. A la reprise de l'activité du procédé, la sortie du régulateur
pourra se trouver longtemps à son maximum, à cause de cela. On parle
alors de saturation du régulateur. Diverses stratégies sont proposées
par le constructeurs pour éviter ce phénomène:
- limitation du cumul
- effacement du cumul lors du passage en manuel du régulateur
- ...
Les régulateurs capables d'une action intégrale ou dérivée
sont exclusivement électroniques pour les équipement les plus récents,
ou éventuellement pneumatiques pour les plus anciens.
Action
proportionnelle,
intégrale et dérivée (PID)
Une
action PI est capable de correctement réguler tout procédé
dont la réponse aux changements de réglage est rapide. Par contre, si
la réponse du procédé est lente, le cumul d'action générée par l'action
intégrale pendant ce temps de réaction risque de conduire à un excès.
Le procédé pourrait alors devenir incontrôlable. Pour limiter ce
phénomène on a recours à une action
dérivée.
L'action dérivée est d'autant plus grande que la vitesse d'approche de
la consigne est grande, même si la mesure en est encore éloignée. Ainsi
si le procédé réagit dans le sens souhaité, l'action dérivée modèrera
l'action intégrale en s'opposant à elle.
Le facteur de réglage de l'action dérivée s'exprime en unité
de temps (minutes ou secondes).
Action
Proportionelle et Dérivée
(PD)
Il
est une application dans les industries de procédé où l'action
proportionnelle et dérivée peut être utile: le remplissage ou la
vidange
de capacités avec précision. Par définition lorsque le point de
consigne est atteint, l'organe réglant doit être fermé. L'action
intégrale est donc inutile.
Une action proportionnelle seule peut
être suffisante si la réaction du système est rapide. Elle sera
avantageusement complétée par une action dérivée si le système réagit
plus lentement.
Algorithmes
des régulateurs PID
Les
algorithmes des régulateurs PID peuvent différer par l'arangement des
fonctions proportionnelle, intégrale et dérivée entre elles. Il existe
trois principales structures nommées:
- interactive
- non interactive
- parallèle
Il
est important de connaitre laquelle est utilisée car leur comportement
peut varier sensiblement pour un même jeu de paramètres de réglage.
Structure parallèle
C'est
sans doute la structure la plus académique, mais la moins utilisée en
pratique. Chaque action est calculée indépendament les unes des autres
et basée sur l'écart mesure-consigne puis sommées pour constituer le
signal de sortie. Son principal inconvénient pratique est que la
modification du gain ne se répercute pas sur les autres actions.
Structure série
Elle est aussi appelée
interactive,
classique ou
réelle.
C'est la plus ancienne car elle était utilisée dans les
anciens
régulateurs pneumatiques ou électroniques. Les méthodes classiques
d'ajustement des paramètres telles que la méthode de Ziegler-Nichols
ont été développées pour cette structure. Dans cet algorithme, c'est
l'action proportionnelle qui est répétée par l'action intégrale, et
c'est la vitesse de variation des actions P et I cumulées qui est
utilisée pour l'action dérivée. Le gain s'applique donc à l'ensemble du
régulateur et non pas à la seule action proportionnelle.
Structure mixte
Elle est aussi
appelée
non interactive,
idéale ou
standard.
C'est la plus courament utilisée dans les régulateurs numériques.
Dans cet algorithme, c'est l'action proportionnelle qui est
répétée
par l'action intégrale,
et c'est la vitesse de variation de cette même actions proportionnelle
qui est
utilisée pour l'action dérivée. Pour les régulateurs sans action
dérivée, les algorithmes des structures série et mixte
sont équivalents. Là encore le gain s'applique à l'ensemble du
régulateur et non pas à la seule action proportionnelle.
Stratégies
de régulation
Régulation
directe
C'est
la manière la plus simple de concevoir une régulation. Elle est dite en
boucle fermée (ou "feed back") puisque le résultat de l'action du
régulateur est évalué en permanence et éventuellement corrigé par la
comparaison continue de la mesure avec la consigne.
Régulateurs
en cascade
Le point de consigne
d'un régulateur peut provenir de la sortie d'un
autre régulateur. Les régulateurs sont alors en cascade. Le régulateur
attribuant à l'autre une consigne est nommé
maître; le
régulateur recevant sa consigne de l'autre est nommé
esclave.
Par exemple, le régulateur de niveau d'un réservoir, au lieu de
commander directement l'ouverture de la vanne de remplissage, peut
régler le point de consigne d'un autre régulateur qui aura la charge
d'ajuster le débit de remplissage en agissant sur cette vanne. Ainsi,
la régulation de niveau du réservoir ne sera plus perturbée
par des variations de pression sur le réseau de fluide de remplissage.
Régulation
à échelle partagée (split-range)
Un régulateur peut
devoir commander plusieurs organes réglant. Pour cela, la
plage de sortie du régulateur est divisée en zones, chacune étant
affectée à la commande d'un organe.
Par exemple, de 0 à 50% le régulateur pourrait agir sur une vanne de
faible capacité, et de 50 à 100% pourrait agir sur une vanne de grande
capacité.
A 50%, la première vanne peut être totalement ouverte tandis que
la seconde est totalement fermée. Le split-range est dit à actions
complémentaires
Un
autre exemple dans lequel le régulateur agit sur la vanne
d'alimentation du bac et sur la vanne de soutirage. Tant que l'écart à
la consigne est faible le régulateur agit sur la vanne de remplissage.
Mais si le niveau ne peut être maintenu malgré une ouverture à 100% de
la vanne de remplissage, la vanne de soutirage sera progressivement
fermée. Le split-range est alors dit à actions
antagonistes.
Régulation
de proportion (feed forward)
Dans
une régulation de proportion la perturbation est mesurée (le débit de
soutirage dans l'illustration ci-contre) et une correction est
appliquée immédiatement à l'organe réglant par le proportionneur (FF).
Ce type de régulation est dite en boucle ouverte car la correction est
appliquée à priori sans vérification de son bien fondé ou de son
efficacité. Cependant, le facteur de correction peut être ajusté par
une autre régulation (ici la régulation de niveau LC) qui elle, prend
en compte le résultat attendu qui est la stabilité du niveau.
Une telle conception est utile quand:
- le résultat est difficile à mesurer
- la réaction à la perturbation est si rapide et si
importante qu'on souhaite agir au plus vite.
Régulation
de substitution (override)
La
régulation de substitution est utile lorsqu'on souhaite réguler deux
variables au moyen d'un seul organe réglant.
Dans
l'exemple ci-contre le but de la régulation est de maintenir un niveau
dans le bac aval et le bac amont en agissant sur la vanne de transfert
entre les deux. La priorité est donnée au niveau du bac amont
c'est-à-dire que si que si la consommation de liquide est trop
importante, on préférera laisser baisser le niveau du bac aval pour
préserver le niveau du bac amont.
La vanne est commandée par un
calculateur (FY) qui compare les sorties des deux régulateurs de
niveau, amont et aval. Il choisi en permanence la valeur la plus faible.
Ainsi si le niveau aval est trop faible, le régulateur tend à ouvrir la
vanne (sortie tend vers 100%)
-
si le niveau amont est aussi trop faible, le régulateur tend à
fermer la vanne (sortie tend vers 0%): la régulation du niveau amont
est prioritaire et choisi de fermer la vanne pour préserver le niveau
du bac amont
- si le niveau amont est trop élevé, le
régulateur tend lui aussi à ouvrir la vanne (sortie tend vers 100%): la
régulation joue son rôle premier qui est d'alimenter le bac aval.
Maintenant si le niveau aval est trop élevé, le régulateur tend à
fermer la vanne (sortie tend vers 0%)
-
si le niveau amont est trop élevé, le régulateur tend à ouvrir la vanne
(sortie tend vers 100%): la régulation de niveau du bac aval est
prioritaire et protège le bac aval d'un débordement
- si le
niveau amont est trop faible, le régulateur tend à fermer la
vanne
(sortie tend vers 0%): la régulation à la fois protège le bac aval d'un
débordement et préserve le niveau amont.
Représentation
schématique
La
symbolisation de l'instrumentation et des régulations est décrite dans
la norme NF E 04-203. Elle reprend l'essentiel des normes
internationales qui sont pour la plupart d'origine anglo-saxonne et en
particulier la norme américaine ISA 5.1. C'est pourquoi les symboles
alphabétiques trouvent leur origine dans la langue anglaise.
Les éléments d'instrumentation et de régulation sont représentés sur
les schémas par des cercles dans lesquels sont insérés:
- une série de lettres signifiant sa fonction (ex: PDIC pour
un indicateur et régulateur de pression différentielle)
- des numéros servant de repère
Exemple:
11-FRC-1234
avec:
11: numéro de l'atelier de production
FRC: régulateur de débit avec enregistrement
1234: repère de la boucle de régulation
Les lettres ont la signification suivante:
|
P D
I C
Variable de procédé |
P D
I C
Complément de variable |
P D
I
C
Fonction passive |
P D I
C
Fonction active |
Complément de
fonction |
A |
(Analytical) Composition quelconque |
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
(Controller) Régulateur |
|
D |
|
Différence (ex: PD pour Pression différentielle) |
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
F |
(Flow) Débit |
Fraction ou rapport (ex: FF pour ratio de débit) |
|
|
|
G |
|
(Glass) Hublot (ex: LG pour un niveau visible)
ou
(Gauge) Indicateur visible (ex: PG pour un manomètre) |
|
|
|
H |
(Hand) Manuel |
|
|
|
(High) Valeur haute (ex: PSH pour un déclenchement à
pression haute) |
I |
Intensité électrique |
|
Indicateur (ex: PI pour un manomètre) |
|
|
J |
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
L |
(Level) Niveau |
|
|
|
(Low) Valeur basse (ex: LSL pour un déclenchement à
niveau bas) |
M |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
O |
|
|
Orifice (ex: FO pour un orifice de restriction de débit) |
|
|
P |
Pression |
|
|
|
|
Q |
|
Intégrateur ou totalisateur (ex: FQ pour totalisateur
de débit ou compteur) |
|
|
|
R |
|
|
(Record) Enregistreur |
|
|
S |
|
Sécurité (ex: PSV pour une soupape de sécurité) |
|
(Switch) Déclencheur |
|
T |
Température |
|
|
Transmetteur |
|
U |
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
Vanne (ex: FV pour vanne de réglage de débit) |
|
W |
|
|
(Well) Puits de mesure non équipé (ex: TW puits
thermomètrique) |
|
|
X |
Position ou
dimension |
Axe X |
|
|
|
Y |
Axe Y |
|
|
|
Z |
Axe Z |
|
|
|
Les
fonctions passives I pour Affichage (Indicate) et R pour Enregistreur
(Record) sont un peu dépassées avec les technologies modernes de
conduite des procédés. Elles correspondent à des architectures de
conduite en tableau droit où l'espace était limité. Les paramètres
pouvaient être seulement affichés ou bien seulement enregistrés sur
papier déroulant ou encore être seulement utilisés dans un ensemble de
régulation sans affichage ni enregistrement.
Avec les systèmes de
conduite numériques actuels, tous les paramètres retransmis en salle de
contrôle peuvent être affichés à la demande et sont systématiquement
enregistrés.