Positionneurs

L'un des accessoires communs d'une vanne de régulation est le contrôleur de position de la vanne, également appelé positionneur.

La fonction fondamentale d'un positionneur consiste à fournir de l'air sous pression à l'actionneur de la vanne, de façon à ce que la position de la tige de vanne corresponde au point de consigne du système de contrôle.

Les positionneurs sont généralement employés lorsque la vanne a besoin d'une action d'étranglement. Un positionneur nécessite un retour de position de la part de la tige de vanne ou de l'arbre, et il fournit la pression pneumatique nécessaire à l'actionneur pour ouvrir et fermer la vanne.

Le positionneur doit être monté sur ou à proximité de l'ensemble de régulation.

Il existe trois catégories principales de positionneurs, en fonction du type de signal de contrôle, de la capacité de diagnostic et du protocole de communication.

4.2.1 Positionneurs pneumatiques La première catégorie de positionneurs est celle des positionneurs pneumatiques. Les unités de procédé existantes peuvent utiliser la signalisation de la pression pneumatique comme point de consigne de contrôle des vannes de régulation. La pression est généralement modulée entre 20,7 et 103 kPa (3 à 15 psig) pour actionner la vanne de 0 à 100% de sa position.

Dans une conception commune à positionneur pneumatique

Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation

76

Sortie à la membrane

Relais

Instrument

Soufflets Axe de retour

Pivot Buse Ensemble clapet à battant Quadrant action directe Axe entrée Cames

Quadrant action inverse Faisceau

Alimen-tation

Figure 4.1 Conception type de positionneur simple effet

(Figure 4.1), la position de la tige ou de l'arbre de vanne est comparée à la position d'un soufflet qui reçoit le signal de contrôle pneumatique. Lorsque le signal en entrée augmente, le soufflet se détend et actionne un faisceau. Le faisceau pivote sur un axe d'entrée, lequel déplace un battant plus près de la buse. La pression de la buse augmente, ce qui augmente la pression à la sortie, vers l'actionneur, à travers un relais d'amplification pneumatique. La pression de sortie

augmentée acheminée vers l'actionneur provoque le déplacement de la tige de vanne.

Le mouvement de la tige revient vers le faisceau via une came. Lorsque la came tourne, le faisceau pivote sur l'axe de retour afin de séparer légèrement le battant de la buse. La pression de buse diminue et réduit la pression à la sortie, vers l'actionneur. Le mouvement de la tige continue, détachant le battant de la buse jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Lorsque le signal en entrée diminue, le soufflet se comprime (aidé par un ressort de réglage interne) et le faisceau pivote autour de l'axe d'entrée afin de séparer le battant de la buse. La pression de la buse diminue et le relais permet de relâcher la pression de l'enveloppe de la membrane vers l'atmosphère, ce qui permet à la tige de

l'actionneur de monter. À travers la came, le mouvement de la tige revient vers le faisceau afin de remettre le battant en place, plus près de la buse. Lorsque les conditions d'équilibre sont atteintes, le mouvement de la tige s'arrête et le battant est placé de manière à éviter une nouvelle réduction de la pression de l'actionneur. Voir la Figure 4.1.

4.2.2 Positionneurs analogiques I/P Le second type d'actionneur est l'actionneur analogique I/P. Les unités de traitement plus modernes utilisent un signal de 4 à 20 mA CC pour moduler les vannes de régulation.

Il amène l'électronique dans la conception du positionneur et demande à ce dernier de convertir le signal de courant électronique en un signal de pression pneumatique (de courant à pneumatique, ou I/O).

Dans un positionneur analogique type (voir la Figure 4.2), le convertisseur reçoit un signal CC en entrée et transmet un signal de sortie pneumatique proportionnel via la disposition de la buse et du battant. Le signal pneumatique de sortie transmet le signal en entrée du positionneur pneumatique. Pour le reste, la conception est la même que celle du positionneur pneumatique.

Convertisseur Alimentation Sortie vers actionneur Relais

Bras arbre rotatif

Pivot

Ensemble clapet à battant Quadrant à action inverse À soufflets

Axe de retour Buse Faisceau Quadrant à actionnement direct Axe d'entrée Cames Signal pneumatique du convertisseur Signal d'entrée 4-20 mA +

-Figure 4.2 Conception type de positionneur numérique I/P simple effet

4.2.3 Contrôleurs numériques de vanne Si les positionneurs pneumatiques et I/P analogiques assurent le contrôle de base de la position de la vanne, les contrôleurs numériques de vanne ajoutent une autre dimension aux capacités du positionneur. Ce type de positionneur est un instrument basé sur microprocesseur. Le microprocesseur permet d'effectuer un diagnostic et d'assurer la communication en deux sens afin de simplifier le paramétrage et la résolution des problèmes.

Dans un contrôleur numérique de vanne, le signal de contrôle est lu par le microprocesseur, traité par un algorithme numérique et converti dans en signal de courant d'entraînement au convertisseur I/P. Le microprocesseur exécute l'algorithme de contrôle de position au lieu d'utiliser l'ensemble mécanique du faisceau, de la came et du battant. Au fur et à mesure que le signal de contrôle diminue, le signal d'entraînement vers le convertisseur I/P augmente, augmentant la pression de sortie du convertisseur I/P. Cette pression est acheminée vers un relais d'amplificateur pneumatique et produit deux pressions de sortie vers l'actionneur. Avec l'augmentation du signal de contrôle, une pression à la sortie augmente toujours, tandis que l'autre pression de sortie diminue.

Figure 4.3 Contrôleur numérique de vanne monté sur une vanne de régulation

Les actionneurs double effet utilisent les deux sorties, tandis que les actionneurs simple effet n'en utilisent qu'une. Le changement de pression à la sortie provoque le mouvement de la tige ou de l'arbre de l'actionneur.

La position de la vanne est indiquée au microprocesseur. La tige continue son mouvement, jusqu'à ce qu'elle atteigne la bonne position. Le microprocesseur stabilise alors le signal d'entraînement au convertisseur I/P, jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Outre la fonction de contrôle de position de la vanne, un contrôleur numérique de vanne dispose de deux fonctions supplémentaires : le diagnostic et la communication numérique dans les deux sens.

4.2.3.1 Diagnostic

Le microprocesseur qui se trouve dans le contrôleur numérique de vanne permet au positionneur d'effectuer des tests de diagnostic, de les analyser et de les mémoriser.

Les informations de diagnostic sont utiles pour définir l'état de santé de l'ensemble de régulation. À l'aide de capteurs de pression, de capteurs de température, de capteurs de course et de lecture interne, des représentations graphiques des performances de la vanne de régulation et de

Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation

78

sont état de santé sont créées et les actions conseillées sont présentées. Ces informations sont ensuite utilisées pour identifier les éléments de l'ensemble de régulation qui peuvent avoir besoin de maintenance.

4.2.3.2 Communication numérique dans les deux sens

Le microprocesseur qui se trouve dans le contrôleur numérique de vanne permet également au positionneur de communiquer avec le système de contrôle via un signal numérique. Cela permet au contrôleur numérique de vanne de fournir un retour supplémentaire, comme la course réelle de la vanne, et de transmettre des alertes de diagnostic au système de contrôle.

L'un des protocoles les plus utilisés est la communication HART^®. La communication HART utilise un signal numérique superposé sur le signal de contrôle traditionnel de 4 à 20 mA CC. Ce protocole de communication permet d'utiliser le système hôte pour configurer, étalonner et surveiller l'état de santé du positionneur. La communication HART offre à la fois les avantages de la communication et la familiarité du système de contrôle de 4 à 20 mA.

FOUNDATION^™ fieldbus est un autre protocole standard de l'industrie. Il s'agit d'un protocole numérique, c'est-à-dire que le signal de contrôle (point de consigne) est numérique, et non pas un courant de 4 à 20 mA CC. Comme la communication HART, le système hôte peut également être utilisé pour configurer, étalonner et surveiller le positionneur.

PROFIBUS est également un protocole commun dans l'industrie pour la communication numérique. La couche physique de PROFIBUS et FOUNDATION fieldbus est la même, mais les protocoles de communication sont différents et chacun a ses avantages propres.

La technologie sans fil propose une méthode supplémentaire pour communiquer des informations entre le système de contrôle et le contrôleur numérique de vanne. Pour les positionneurs sans fil, les informations numériques peuvent être transmises indépendamment du câble du système de contrôle. ^