EXEMPLE DE STRUCTURE D`UN SYSTÈME INDUSTRIEL Á

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-
1-2-
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
c
température fonctionne sur une plage de 25 à 75° et que le transmetteur de
pression (qui donne une image du débit d’air) fonctionne sur une plage de 0 à
50mm d’eau.
Quels types de capteurs de flux et de température peut-on associer aux
transmetteurs (trois exemples pour chaque cas) ?
Essais de systèmes
T.Langevin
2- Module de commande et d’alimentation
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.
2-12-22-32-4-
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%).
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%).
A quelle température correspond la valeur maximale du courant en sortie du
transmetteur de température ?
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 -
Essais de systèmes
T.Langevin
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
3-2-
pour
=20mA ? conclure.
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.
Essais de systèmes
T.Langevin
3-2-1- Exprimer l’intensité du courant
en fonction de la tension Usc.
pour Usc=4V ? conclure.
3-2-2- Quelle est la valeur de
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.
4-14-2-
Expliquer brièvement comment s’effectue le transfert de données lorsque l’on
utilise ce type de câble.
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.
Essais de systèmes
T.Langevin
ANNEXE 1
Repères en face avant du module d’alimentation
Essais de systèmes
T.Langevin
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 :
Essais de systèmes
T.Langevin
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+ ρ gh2= ρ
:
+Ps1+ ρ gh1
on remarque donc que :
ρ
+Ps+ ρ gh= 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
Essais de systèmes
+Ps2
T.Langevin
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 :
Essais de systèmes
T.Langevin
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
"
!
=
−
∆
finalement: " =
ρ
!
ρ"
d’où :
−
! 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
système donne une étendue de la mesure de 0 à 50mm d’eau (la
Essais de systèmes
&
T.Langevin
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.
La relation de Bernoulli devient
dans ce cas :
Ps2+ ρ gh2=Ps1+ ρ gh1
D’où
P=Ps1-Ps2= ρ g(h2-h1)= ρ g
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 :
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.
Essais de systèmes
'
T.Langevin
ANNEXE 3
Repères en face avant du module I.R.P.I
Essais de systèmes
T.Langevin