Profibus – Une réussite dans les sables bitumeux

Profibus - Une réussite dans les sables bitumeux
Profibus – Une réussite dans
les sables bitumeux
Don G.J. Dutton and James Powell, P.Eng.
Pour la maintenance, nous choisissons de mettre l’accent sur la fiabilité et l’élimination complète des arrêts non planifiés car personne n’a envie d’être appelée à
trois heures du matin. Même si la technologie Profibus a fait ses preuves, c'est un
protocole de bus de terrain qui est nouveau pour l’industrie canadienne des sables
bitumineux. La société SNC-Lavalin a récemment réalisé un projet de démonstration technologique en Alberta pour évaluer une nouvelle méthode d’extraction de
bitume à partir de sables bitumineux. Dans ce cadre, l’entreprise a testé l’instrumentation et l’électrique de terrain Profibus PA et DP. Ni les propriétaires de l’usine,
ni les propriétaires de la licence du processus d’extraction, ni l’équipe d’ingénierie
n’avaient d’expérience préalable avec PROFIBUS et tous étaient curieux de juger
de ses capacités. Les Profibus PA et DP se sont révélés fiables et robustes. Profibus
s’est montré à la hauteur des exigences de contrôle-commande du projet.
Ce projet de démonstration a été
mené à un rythme accéléré : environ
un an a été consacré à la phase de
conception et de construction et environ quatre mois à la mise en œuvre avec
évaluation approfondie du nouveau
processus d’extraction du bitume à
partir de sables bitumineux. Les équipements de production et les unités
de fonctionnement étaient pourvus
de nombreux instruments et en certains points stratégiques de contrôlecommande, des technologies alternatives ont été mises en place pour
obtenir des résultats comparables.
Cette conception s’explique d’une part
par la nécessité d’intégrer certaines
fluctuations du processus (faibles
vitesses, par exemple) et d’autre part
par l’importance cruciale des mesures.
Instrumentation et électrique de
terrain
L’instrumentation et l’électrique Profibus PA et DP fonctionnaient dans
un environnement de câbles à paires
torsadées et fibres optiques, un très
large usage de commandes variables
de fréquence et une combinaison
d’ensembles skid en réseau et d’appareils de terrain analogiques et discrets.
La plupart des instruments de terrain
utilisés pour ce projet comprenaient à
la fois des éléments de détection
primaire et des éléments de commande
finale. La commande de tous les
moteurs était assurée par Simocode
Siemens et dans toute la mesure du
possible les pompes et les équipements
tournants étaient contrôlés par des
commandes variables de fréquence.
Deux vannes de régulation ont été
équipées de positionneurs Profibus
PA ; il aurait tout à fait été possible
d’installer des commandes variables
de fréquence mais nous souhaitions
paramétrer et étalonner au moins
deux éléments de commande finale
(vannes de régulation) comprenant
des positionneurs Profibus. Nous
avons également utilisé un certain
nombre de vannes de commande
d’eau à glands pour les pompes de
boues, équipées d’une commande
analogique 4-20 mA.
industrial communication
www.siemens.com/processautomation
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Tendances en instrumentation
Fig 1: Système de commande
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Profibus - Une réussite dans les sables bitumeux
Fig. 1 – Control System
Pour ce projet, nous avons employés
environ 200 étiquettes rigides et
étiquettes souples E/S, dont 40
étaient considérées comme critiques
car elles contenaient des informations
nécessaires à la bonne évaluation du
processus au tonnage nominal.
Système de commande
Nous avons installé un système de
commande distribué (DCS) Siemens
PCS7 comprenant des processeurs
(serveurs) redondants (cf. figure 1),
une console à écrans multiples pour
les opérateurs, une console d’ingénierie, un logiciel d'archivage des données et du matériel informatique regroupés dans une salle de commande
centralisée. Les contrôleurs effectifs
et les modules E/S ont été installés
dans cinq armoires de commande
de terrain. Les armoires extérieures
comprenaient des câbles préfabriqués
à fibre optique multimode munis de
connecteurs d’extrémité s’adaptant
sur les modules de liaison optique
(OLM). La configuration du réseau de
fibre optique était quasiment transparente. Les cinq armoires E/S à distance
formaient la colonne vertébrale du
réseau Profibus DP (couche de communication) fournissant un fonctionnement haute vitesse standard au
niveau H2.
Instrumentation de terrain – lignes
de jonction/segments des bus de
terrain PA et DP
Nous avons connecté les modules
Profibus DP/PA installés dans les cinq
armoires de commande E/S de terrain
à des segments de bus de terrain PA
et DP (topologie ligne de bus). La
plupart des instruments de terrain
étaient de type Profibus PA, reposant
sur une technologie par segments à
paire de deux fils torsadés et alimentation par bus avec un « bout de ligne
» sur chaque segment. Les segments
de terrain du Profibus PA fonctionnaient au niveau H1 de 31,25 kbits
par seconde et les distances entre
segments étaient largement inférieures à la distance maximale de 1900 m
par segment Profibus PA.
Nous avons, de plus, relié plusieurs
instruments de terrain intelligents
aux segments Profibus DP. Ces instruments Profibus DP à alimentation
externe étaient couplés à des segments DP fonctionnant à des vitesses
de communication bien supérieures à
celles des segments PA. Les segments
DP avaient une longueur nettement
inférieure à la distance maximale
Profibus de 1200 mètres par segment
DP.
Les figures 2 et 3 donnent des exemples de nos segments Profibus PA.
Nous avons utilisé différentes charges
de segment pour en vérifier l’effet sur
le temps de réaction de la boucle de
contrôle. Toutes les boucles, y compris les segments les plus chargés,
ont fourni des temps de réaction de
contrôle-commande rapides, bien inférieurs à 300 ms.
Fig. 1 – Système de commande
Fig. 2 – Diagramme de charge des
segment profibus
Fig. 3 – Diagramme de charge des
segment profibus
Commande des moteurs
Le projet comprenait 48 moteurs de
250 à 2 ch. Le centre de commande
des moteurs était réglé à 480 VCA 60 Hz triphasé, avec démarreurs de
moteur intelligents. La commande de
tous les moteurs était assurée par Profibus DP et dans la mesure du possible
les pompes et les équipements tournants étaient contrôlés par des commandes variables de fréquence. L’appareillage électrique et l’agencement
du centre de commande des moteurs
comprenaient des équipements et de
l’électronique Siemens. Les commandes variables de fréquence étaient
installées sur les panneaux avant du
centre de commande des moteurs.
Un câble redondant, linéaire, à paire
torsadée AWG 20 reliait le centre de
commande des moteurs au système
de commande DCS. Ce câble, d'un
débit de 500 kbps, facilitait la logique
permissive et l’arythmie. Les 500 kbps
ont permis une commande à réponse
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Tendances en instrumentation
Fig 2: Diagramme de charge des segments Profibus
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Profibus - Une réussite dans les sables bitumeux
Fig 3: Diagramme de charge des segments Profibus
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Tendances en instrumentation
rapide, fonctionnant parfaitement
après réglage et un débit supérieur
s’est révélé superflu.
Nous avons rencontré quelques
difficultés pour configurer et régler
les commandes variables de fréquence et le Profibus DP à l’aide de
la fonction diagnostic disponible.
L’un dans l’autre, tout s’est très
bien passé compte tenu du fait que
nous avions 48 moteurs, avec des
inversions, la plupart commandés par
commandes variables de fréquence, sur un seul câble 20 AWG à
paire torsadée, toronnée et blindée
Diagnostic
Les diagnostics disponibles tant au
niveau du système de commande
qu’au niveau des instruments
de terrain se sont avérés à la fois
détaillés et utiles. Lorsqu’il y avait
un problème sur le bus, une commande ou un instrument, nous le
savions instantanément et nous
étions en mesure de le régler rapidement. La taille des paquets de
données Profibus PA et DP (244
octets par image) a permis une
analyse détaillée de la variable
de processus et des diagnostics
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associés. Lorsque nous souhaitions
savoir plus en détail ce qui se passait
dans un segment ou un instrument de terrain, il nous suffisait de
cliquer deux fois sur l’appareil pour
lancer le logiciel de configuration
Simatic Process Device Manager.
Cette facilité s’est révélée extrêmement utile pour ajouter ou changer
des instruments de terrain sur un
segment Profibus ; en effet, nous
étions ainsi en mesure de configurer rapidement un appareil sur le
réseau, ce qui est très appréciable
quand la température extérieure
est de l’ordre de -30°C.
Fichiers GSD et connexion des
appareils PA et DP
Chaque appareil Profibus DP est
livré avec un fichier GSD (General
System Data) (fichier texte). Le
fichier GSD contient des informations générales sur l’appareil :
numéro d’identification, vitesses
supportées en bauds, résumé
des fonctions prises en charge
par le protocole ainsi que toutes
les données cycliques (données
échangées à chaque scan du bus
avec le maître). Il est extrêmement
important d’avoir le fichier GSD
qui correspond bien à l’instrument
car le maître utilise ce fichier pour
configurer l’esclave sur le bus. Avec
la plupart des distributeurs d’instruments, la gestion de ces fichiers
GSD ne pose pas de problème.
Cependant, dans quelques cas, le
fichier fourni n’était pas approprié
et nous avons obtenu des messages de défaut au moment de la
configuration de l’instrument.
Tous les appareils Profibus PA
(et certains DP), sont livrés avec
un fichier GSD et un fichier EDD
(Electronic Device Descriptor). Ce
dernier contient les informations
de configuration de l’appareil et le
mode de communication de ces
informations à l’appareil. Comme
pour le fichier GSD, il est important
de s’assurer d’avoir le fichier qui
correspond bien à l’appareil. En ce
qui nous concerne, nous n’avons
eu aucun problème avec les appareils Profibus PA.
Bilan
Phase de conception: Comme l’a
si bien dit le pédagogue et juriste
américain, Derek Bok, ancien
président de l’Université de Har-
Profibus - Une réussite dans les sables bitumeux
vard : « Si vous pensez que l’éducation
est chère, essayez donc l’ignorance ».
Cet adage s’applique parfaitement à
l’installation d’un bus de terrain. Le
savoir est essentiel. En début d’article, nous avons mentionné le fait
que le personnel d’ingénierie n’avait
jamais encore participé à un projet
d’ingénierie approfondi comprenant
une installation Profibus. Nous avons
eu la chance de pouvoir nous appuyer
pour le Profibus sur une assistance
technique très disponible, localement et sur le site de démonstration.
Phase de mise en service: La
phase de mise en service a été brève.
Le calendrier du projet comme les
conditions climatiques nous imposaient des délais très serrés. L’hiver
approchait à grand pas dans le nord
de l’Alberta et nous savions que nous
ne pouvions pas nous permettre
de repousser les délais sans avoir à
supporter des reports importants en
raison du climat.
Toutefois, une étroite fenêtre de
manœuvre ne dispense pas d’un
câblage correct: nous avons toléré
des pratiques de câblage correspondant
à une phase de fonctionnement
de court terme et nous avons eu
quelques mauvaises surprises. Les
réseaux redondants sont une aide
en la matière ; cependant, un site
pilote et/ou de démonstration doit
être correctement équipé, en particulier en ce qui concerne le câblage
et les fils des appareils du système
de commande. Nous avions attaché
certains de nos câbles de segment
pour qu’ils puissent supporter des
structures et d’autres câbles et nous
avons eu de la chance de ne pas avoir
plus de problèmes au moment de la
maintenance des équipements de
processus mécaniques. Nous n’avons
pas respecté la séparation recommandée entre le câble de communication
Profibus DP et le câble de tension, en
particulier sur le segment DP entre
les E/S du entre de commande des
moteurs et le contrôleur DCS situé
dans la salle de commande. À la mise
sous tension, à une vitesse en bauds
proche de H2, nous avons rencontré
des problèmes de communication.
Après quelques errances de notre système de communication redondant
lors de la mise en service et grâce aux
informations fournies par la fonction
diagnostic du réseau, nous avons
réduit la vitesse à 500 kbps, ce qui
nous a permis d’obtenir des communications parfaites.
Réglage des positionneurs de Profibus PA:
Ce réglage consistait à étalonner les deux vannes
de régulation équipées de positionneurs Profibus,
ce qui n’a pas été plus compliqué que pour un positionneur classique 4-20m ADC ou un positionneur
Foundation Fieldbus.
Conclusion
Le Profibus fonctionne – purement et simplement.
C’est un bus de terrain robuste et fiable. La phase
de conception de notre projet s’est bien déroulée.
La mise en service et le démarrage se sont relativement bien passés et ont rapidement évolué vers la
phase opérationnelle du site de démonstration. Le
Profibus s’est montré particulièrement performant
dans les domaines suivants :
• Sur les segments lourdement chargés, le Profibus
PA a assuré des délais de mise à jour de 300 millisecondes
• Les commandes et les instruments étaient sur le
même bus, avec un seul protocole
• Le diagnostic complet sur tous les appareils nous
a permis de trouver facilement l’origine des problèmes
Dans la gestion de nos projets de sables bitumineux, nous pouvons désormais prendre en compte
le Profibus en même temps que les meilleurs bus
de terrain, réseaux, systèmes de commande et instruments industriels de terrain.
Bien faire correspondre fichier GSD,
fichier EDD et appareil: et appareil il
faut souligner que les appareils ne se
limitent pas aux unités physiques. Ils
comprennent aussi le fichier GSD et
dans certains cas le fichier EDD. On
évite bien des problèmes en vérifiant
à l’avance la correspondance entre
fichiers et appareils utilisés.
Utiliser des câbles préfabriqués:
L’installation a été simplifiée et accélérée par l’utilisation de câbles préfabriqués à fibre optique complets avec
des connecteurs correspondant aux
connecteurs homologues des distributeurs de systèmes de commande et
par le fait que ces câbles avaient été
fabriqués et testés dans l’usine de production. Nous n’aurions pas obtenu
d’aussi bons résultats si nous avions
dû effectuer un épissurage mécanique
ou thermique sur le terrain. La partie
installation s’est limitée à la connexion
de la fibre et à la mise sous tension.
Don G.J. Dutton est Spécialiste de l'instrumentation et
des systèmes de contrôle chez SNC-Lavalin Inc.
James Powell, P.Eng. est Responsable produit, Systèmes
de contrôle chez Siemens Milltronics Process Instruments
Inc.
© 2008 Siemens Milltronics Process Instruments Inc.
www.siemens.com/processautomation
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