EXEMPLE DE STRUCTURE D’UN SYSTÈME INDUSTRIEL Á COMMANDE DÉLOCALISÉE.
But : Etude de la structure générale d’un système industriel (Système ERD.004 + ERD.010.000 de DMS). Etude de la réponse en boucle ouverte pour une commande en flux.
On dispose pour cela d’un système de régulation de débit et de température d’air composé :
- d’un module représentant un processus industriel de chauffage et de ventilation, équipé de deux transmetteurs de mesure (température et débit d’air) et de deux actionneurs (résistance chauffante à puissance commandée et moteur avec ventilateur à vitesse de rotation commandée).
- d’un module de commande et d’alimentation.
- d’un module d’interface pour la régulation de processus industriels.
- d’un ordinateur sur lequel est installé la console de commande du système.
Vous disposez d’un accès au Web pour la recherche d’information liée aux capteurs et transmetteurs industriels.
Raccorder la colonne de séchage au module de commande et d’alimentation, mettre les interrupteurs 3 et 4 en position INT.
1- Module de processus industriel (partie opérative)
Sur ce module, les informations de débit et de température d’air sont obtenues à l’aide de deux transmetteurs de mesure. Identifier ces deux transmetteurs.
1-1- Expliquer brièvement la structure générale et les standards liés aux transmetteurs industriels (entrées/sorties numérique/analogique, protocoles de communication...). Exposer plus particulièrement le cas de nos deux transmetteurs. Note : Le constructeur annonce que le transmetteur de température fonctionne sur une plage de 25 à 75°c et que le transmetteur de pression (qui donne une image du débit d’air) fonctionne sur une plage de 0 à 50mm d’eau.
1-2- Quels types de capteurs de flux et de température peut-on associer aux transmetteurs (trois exemples pour chaque cas) ?
2- Module de commande et d’alimentation
2-1- Quel est l’intervalle des valeurs du courant de sortie du transmetteur F pour une commande interne en flux allant de 0% à 100% ? (mettre la commande en température à 0%).
2-2- Quel est l’intervalle des valeurs du courant de sortie du transmetteur T pour une commande interne en température allant de 0% à 100% ? (mettre la commande en flux à 50%).
2-3- A quelle température correspond la valeur maximale du courant en sortie du transmetteur de température ?
2-4- A quelle différence de pression P en Pascal (Pa) correspond la valeur maximale du courant en sortie du transmetteur de flux ? En déduire le débit d’air maximum dans la colonne en litres par seconde.
3- Module d’interface pour la régulation de processus industriels (I.R.P.I)
Eteindre le module d’alimentation et mettre les interrupteurs 3 et 4 en position EXT.
Remplacer les ampèremètres liés aux bornes 9 et 10 par les entrées de mesure en
« boucle de courant » M1 (bornes 9) et M2 (bornes 10) du module I.R.P.I. Relier les bornes 7 et 8 aux sorties par « boucle de courant » Sc1 (bornes 7) et Sc2 (bornes 8).
Relier le module I.R.P.I au pc portable avec le câble série RS232. Mettre le module I.R.P.I sous tension, démarrer le pc puis lancer le logiciel D_reg. Mettre le module d’alimentation sous tension.
3-1- Etude du convertisseur courant / tension (entrées analogiques)
Schéma de principe d’une entrée de mesure en « boucle de courant » - document DMS -
Effectuer le câblage ci-contre pour relever les informations en sorties de chaque transmetteur (bornes 10 pour le transmetteur de température et bornes 9 pour le transmetteur de débit) et appeler le professeur avant la mise sous tension.
Cette interface permet de convertir le courant de sortie 4-20mA d’un transmetteur en une tension comprise dans l’intervalle 0-10V compatible avec la carte d’acquisition du pc.
On observe que R14=R15=R17=R18>>R16 ce qui implique que le courant circule dans la résistance R16. Le composant noté U10 est un amplificateur de différence de gain K2=5. On suppose tous les composants parfaits.
3-1-1- Quels noms peut-on donner aux deux montages réalisés à partir du TL082 ? 3-1-2- Quel est le gain K1 de chaque montage ?
3-1-3- En déduire l’expression de la tension à la sortie de l’amplificateur de différence en fonction de K1, K2, R16 et .
3-1-4- Quelle est alors la valeur de pour =20mA ? conclure.
3-2- Etude du convertisseur tension / courant (sorties analogiques)
Schéma de principe d’une sortie analogique par « boucle de courant » - document DMS -
Cette interface permet une commande en courant du processus industriel, elle réalise un générateur de courant dont l’intensité est proportionnelle à la tension Usc délivrée par la sortie analogique du pc. Cette tension reste dans l’intervalle 0-5V. On suppose tous les composants parfaits.
3-2-1- Exprimer l’intensité du courant en fonction de la tension Usc.
3-2-2- Quelle est la valeur de pour Usc=4V ? conclure.
4- Transmission des données entre le module I.R.P.I et la console de commande décentralisée
Cette transmission se fait par un câble série RS232.
4-1- Expliquer brièvement comment s’effectue le transfert de données lorsque l’on utilise ce type de câble.
4-2- Citez au moins deux autres protocoles de transfert n’utilisant pas de câble électrique. Citez l’intérêt majeur de chacun de vos exemples par rapport au transfert par RS232.
5- Console de commande du système
Le logiciel D_REG est installé sur le pc portable, il permet de commander et de contrôler l’asservissement ou la régulation du système. Ce logiciel est bien sûr une interface didactique qui permet de tester le réglage des correcteurs, d’appliquer des consignes de type échelon, rampe, sinusoïde…etc…, de tracer et d’exploiter les différentes réponses, mais il représente vraiment le type d’interface que vous trouverez dans l’industrie.
Citez au moins deux atouts allant dans le sens du choix d’une interface décentralisée.
Pendre rapidement en main l’interface informatique et placez vous dans le cas d’un essai en boucle ouverte.
6- Essai avec perturbation par clapet en boucle ouverte On étudie la partie commande de débit d’air.
Démarche à suivre : Commutateurs sur EXT.
Sortie transmetteur F sur entrée M1.
Sortie Sc1 sur commande F.
Echelon 60%.
Valeur de repos 15%.
K1=1
Visualisation des signaux MD (sortie de transmetteur) et de la consigne (il suffit de cliquer sur le nœud correspondant).
6-1- Appliquer l’échelon, fermer le clapet et attendre le régime permanent. Lancer l’acquisition de la consigne et du signal MD puis ouvrir le clapet. Calibrer les signaux avec zoomBT et rangeY.
6-2- Identifier l’ordre du système en boucle ouverte.
6-3- Déterminer sa constante de temps. On utilisera les outils de traitement présent sur D_Reg.
ANNEXE 1
Repères en face avant du module d’alimentation
ANNEXE 2
Mesure d’un débit à l’aide d’un tube de Venturi
1) Relation de Bernoulli (physicien suisse 1700-1782) On se place ici dans le cas d’un écoulement en régime permanent et sans frottement d’un fluide parfait
incompressible.
Considérons un tube canalisant un fluide de masse
volumique ρ et isolons à l’entrée de ce tube une portion de fluide de masse m enfermée dans un volume V.
Ce volume de fluide pénètre dans le tube à la vitesse v1 sous la pression statique Ps1 ce qui nous donne un débit Q1= S1.v1 (S1 est la surface du parallélépipède échantillon de fluide à l’entrée du tube).A la sortie du tube notre volume de fluide se déplace à la vitesse v2 sous la pression statique Ps2.
La conservation du débit impose que Q1= S1.v1 = Q2= S2.v2, ce qui implique que v2> v1 (S2 est la surface du
parallélépipède échantillon de fluide à la sortie du tube).
La variation d’énergie cinétique de notre échantillon :
Ec= −
est égale au travail des forces de pression : Wpr=Ps2V-Ps1V=(Ps2-Ps1)V
et au travail des forces de la pesanteur :
Wpe=mgh2-mgh1=mg(h2-h1) nous pouvons donc écrire :
Ec+Wpr+Wpe=0 soit :
− +(Ps2-Ps1)V+ mg(h2-h1)=0 qui se met sous la forme :
+Ps2V+mgh2= +Ps1V+mgh1
puis, en introduisant la masse volumique de notre fluide ρ= : ρ +Ps2+ρgh2= ρ +Ps1+ρgh1
on remarque donc que :
ρ +Ps+ρgh= cte C’est la relation de Bernoulli
pour les hypothèses proposées au début de l’annexe.
2) Applications
Cette relation nous permet par exemple de connaître la vitesse d’un avion en mesurant deux pressions, c’est le cas du tube Pitot (physicien français 1695-1771). La pression Pt2 est la pression totale, c’est à dire la somme de la pression
dynamique ρ et de la pression statique Ps2, mesurée en tête de tube (dans l’écoulement d’air) et la pression Ps1 est la pression statique (mesurée dans une chambre intérieure au tube, en contact avec l’extérieur mais hors du déplacement du fluide).
La pression totale correspond à : Pt2= ρ +Ps2
!" # $
% =
Si l’on admet que P1=Patm et que l’avion vole à une altitude constante (h1=h2), la relation de Bernoulli devient :
Pt2= ρ +Ps2= ρ +Patm d’où la vitesse de l’avion
ρ
= −
Remarquons que la masse volumique de l’air est fonction de l’altitude de l’avion, il faudra donc corriger la vitesse en fonction de cette évolution.
La relation de Bernoulli permet également de déterminer la vitesse d’éjection de l’eau au pied d’un barrage hydraulique lors d’un délestage par exemple, elle permet également
d’expliquer pourquoi un avion vole, de calculer la pression sur le nez d’un sous marin…etc….
Cette relation permet enfin de réaliser des capteurs
industriels de pression, de vitesse, de débit, d’altitude
…etc….
3) Mesure d’un débit à l’aide d’un Venturi
La technique est différente de celle utilisée par le tube Pitot, mais repose toujours sur la relation de Bernoulli.
On considère un volume V de fluide de masse m, ce fluide étant par hypothèse incompressible et en régime permanent, il occupe toujours le même volume.
Dans la partie 1 du tube, cet échantillon s’écoule à la
vitesse . La conservation du débit impose : Q1= S1 = Q2= S2 ce qui implique que = !
! > .
La relation de Bernoulli s’écrit sous la forme :
ρ +Ps2= ρ +Ps1 d’où Ps1-Ps2= ρ − >0 …eh oui Ps2 est inférieure à Ps1 !
Notons en passant que c’est pour cela qu’un avion vole. Le fluide sous l’aile (l’intrados) s’écoule à la vitesse , on s’arrange alors pour donner un profil au dessus de l’aile (extrados) qui accélère l’écoulement du fluide jusqu’à la vitesse > . La conclusion est alors simple, la pression sur l’extrados est inférieure à la pression sur l’intrados et l’avion est « aspiré » vers le haut (c’est en effet beaucoup plus la dépression sur la partie supérieure de l’aile que la pression sur la partie inférieure qui permet à l’avion de voler).
Venturi (physicien italien 1746-1822), désirant arroser son jardin pensait qu’une réduction de diamètre sur une
canalisation d’eau lui permettrait d’augmenter la pression de l’eau. Inutile de dire que le résultat fut exactement à
l’opposé de ce qu’il attendait. Il venait en fait d’inventer la technique de vidange des fosses septiques toujours utilisée aujourd’hui… (eh oui, la fameuse pompe!). Cette technique
s’applique aux carburateurs pour la préparation du mélange air-carburant, aux aspirateurs à gaz de l’industrie chimique, c’est aussi la technique utilisée pour refroidir les réacteurs des avions de chasse (on place des évents à proximité du col de la tuyère à la réduction de diamètre de l’écoulement fluide et on aspire de l’air frais que l’on canalise sur les parties chaudes du réacteur…etc…. Mais revenons à notre capteur.
Si nous connaissons la masse volumique du fluide, il suffit de mesurer la différence de pression P=Ps1-Ps2 pour connaître le débit, en effet :
" "
! !
= = et " "
! !
= = avec "=" =" (conservation du débit).
La relation de Bernoulli devient alors :
" "
! !
ρ − ρ = − d’où : "
! !
ρ − = ∆
finalement: "
! !
ρ
= ∆
−
! et! étant fixés par
construction, " ne dépend que de P à altitude et température constantes (c’est à dire à masse volumique constante).
Le constructeur du transmetteur de pression de notre
pression est l’image du débit). La question est alors de savoir comment obtenir la différence de pression P à partir de la mesure d’une colonne d’eau. Et bien il suffit d’utiliser pour cela la relation de … Bernoulli !
Voilà le problème :
Les prises de pression statique placées de part et d’autre d’un tube en U permettent de déplacer une colonne d’eau.
%( %
"
! !
ρ ρ
= ∆
−
Sachant que ρ =1,25kg.m-3 dans les conditions normales de
température et de pression, que ρ%=1000kg.m-3 pour l’eau douce et que g=9,81 m.s-² du coté de Paris, nous pouvons calculer le débit d’air correspondant à ∆ % =50mm. Pour cela il nous faut les sections ! et ! du tube de Venturi (cela dépend bien sûr du constructeur), nous pourrons considérer pour notre cas les diamètres associés : d1=26mm et d2=16mm.
La relation de Bernoulli devient dans ce cas :
Ps2+ρgh2=Ps1+ρgh1
D’où P=Ps1-Ps2=ρg(h2-h1)=ρg h correspond aux 50mm d’eau et ρ à la masse volumique de l’eau bien sûr.
Finalement le dédit d’air s’exprime sous la forme :
ANNEXE 3
Repères en face avant du module I.R.P.I
