Transcript Introduction au contrôle de procédés

MEC-743 Instrumentation et contrôle de procédés industriels
01 - Introduction
MEC-743
Instrumentation et contrôle de
procédés industriels
Département de génie mécanique
© Martin Viens, prof.
Programme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
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Département de
génie mécanique
MEC-743 Instrumentation et contrôle de procédés industriels
01 - Introduction
Description du cours
Objectif:
Être en mesure de sélectionner et d’intégrer des
composantes de façon à pouvoir faire le suivi ou
asservir un procédé industriel.
Sommaire:
•
•
•
•
•
Capteurs (principes et performances)
Conditionnement et traitement des signaux
Contrôleurs (systèmes matériels et logiciels)
Actionneurs (moteurs, vérins, vannes, …)
Transmission des signaux et des commandes
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01 - Introduction
Plan de cours
Méthode pédagogique
• Exposés magistraux
• Travaux pratiques en laboratoire
Évaluation
• Laboratoires (5)
• Examen de mi-session
• Examen final
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35%
35%
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01 - Introduction
Fonctionnement
Référence obligatoire:
Documents, en format PDF, disponibles sur le site
web du cours
Laboratoires (5):
• En équipe de trois personnes
• Une à deux semaines pour remettre un court
rapport
• Il y a un nombre limité de postes de travail. Le
dédoublement des séances de laboratoire peut
s'avérer nécessaire
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01 - Introduction
MEC-743, cours n°1
Introduction au contrôle des
procédés
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01 - Introduction
Plan de ce cours
• Notions de contrôle et exemples d’application
• Caractéristiques dynamiques des systèmes (réponse
transitoire, régime permanent, stabilité, …)
• Éléments d’une boucle de rétroaction (capteurs,
commande, contrôleurs, actuateurs)
• Types de contrôleur (« tout ou rien », PID, …)
• Notions de base en circuits électriques et en
électronique
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01 - Introduction
Contrôle manuel
L’opérateur varie manuellement l’ouverture du
robinet d’entrée afin de s’assurer d’un niveau
d’eau optimal.
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01 - Introduction
Schématisation du système
Variable manipulée
Variable à contrôler
Actuateur
Capteur
Transmetteur
Dispositif
d’entraînement
Contrôleur
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01 - Introduction
Contrôle manuel
L’opérateur varie manuellement l’entrée de
vapeur dans le système afin de contrôler la
température de l’eau à la sortie (T2).
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01 - Introduction
Schématisation du système
Variable à contrôler
Variable manipulée
Actuateur
Capteur
Transmetteur
Dispositif
d’entraînement
Contrôleur
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01 - Introduction
Instrumentation
Intégration de capteurs, d’appareils de mesure,
d’actionneurs et de régulateurs de façon à permettre le
suivi ou le contrôle (automatisation) d'un procédé.
Pourquoi instrumenter:
• Mesurer des paramètres autrement inaccessibles (variations
trop faibles, trop rapides ou trop lentes)
• Assurer un contrôle de qualité sur une ligne de production
(maintient des paramètres opératoires à l'intérieur d'une plage
donnée; possibilité d'alerter les opérateurs en cas de
défaillance, …)
• Valider un concept, des calculs ou des modèles (ex.: jauges de
déformation pour valider un modèle par éléments finis)
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01 - Introduction
Automatisation: une définition
Transformation d'un mécanisme, d'un appareil, d'une
machine, d'une installation ou d'un procédé en vue de
les rendre automatiques.
L'automatisation substitue des organes technologiques
(mécaniques, pneumatiques, électriques, magnétiques,
électroniques)
aux
organes
humains
d'effort,
d'observation, de mémoire et de décision. Certains
systèmes automatisés sont programmés de façon à
pouvoir prendre des décisions relatives à l'optimisation
d'un processus ainsi qu'à la détection et à la correction
d'erreurs, par exemple.
Le grand dictionnaire terminologique
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01 - Introduction
Avantages de l’automatisation
• Sécurité: Maintenir une variable à l’intérieur d’une plage
qui assure la sécurité du système.
• Stabilité: Maintenir une variable à une valeur constante
(régulation) et ce, malgré les perturbations qui peuvent
affecter le procédé.
• Précision: Amener précisément une variable à la valeur
désirée de façon à assurer la qualité et l’efficacité d’un
procédé.
• Répétitivité: Permet d'effectuer des tâches répétitives à
intervalles réguliers.
• Reproductibilité: Effectuer une séquence d'opérations
sans requérir à l'intervention humaine.
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01 - Introduction
Automatisation
Vanne de régulation
à solénoïde
Thermomètre numérique
avec transmetteur
Automate
programmable
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01 - Introduction
Système automatique
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01 - Introduction
Contrôle en boucle fermée
Pour assurer une régulation efficace de la grandeur de
sortie d’un système, cette grandeur doit être évaluée
(mesurée) et ramenée à titre d’entrée dans le contrôleur
(rétroaction).
Perturbation
Consigne
Contrôleur
Contrôleur
Commande
Rétroaction
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Actuateur
Actuateur
Capteur
Capteur
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Procédé
Procédé
Sortie
Boucle de
retour
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01 - Introduction
Boucle de rétroaction
• Capteur: pour mesurer la variable à contrôler
(température, pression, niveau, débit, …)
• Contrôleur: pour analyser l’écart entre la
variable à contrôler et la consigne de façon à
émettre une commande appropriée
• Actuateur: pour agir sur le système au
travers d’une variable manipulable
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01 - Introduction
Exemples de capteur
• Position, distance, vitesse, accélération, …
• Force, couple, …
• Niveau, débit, pression, viscosité, …
• Température, humidité, pH, …
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01 - Introduction
Exemples de contrôleur
• Électrique (analogique ou numérique) vs
pneumatique
• Régulation discontinue (tout ou rien) vs
régulation continue
• Logique câblée vs programmée (automate
programmable ou micro-ordinateur)
• Régulation simple vs contrôle séquentiel
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01 - Introduction
Régulation « tout ou rien »
(On/off control)
Mode de régulation qui ne comporte que deux positions
fixes (ouverte ou fermée, active ou inactive, allumée ou
éteinte, …)
www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials
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01 - Introduction
Régulation continue
Mode de régulation qui permet l’ajustement continu d’un actuateur
(partiellement ouvert, position intermédiaire, etc.).
Dans ce type de contrôleur,
on retrouve souvent des
actions proportionnelles (P),
intégrales (I) et dérivées (D).
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01 - Introduction
Régulation continue
Réponse à un changement de consigne

Système du
1er ordre
y  A  1  e t 
100

150
60
40
Système sur-amorti
20
0
0
5
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Amplitude (%)
Système du
2e ordre
Amplitude (%)
80
10
Temps (s)
15
20
100
50
Système sous-amorti
0
0
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5
10
Temps (s)
15
20
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01 - Introduction
Comparaison des méthodes
Tout ou rien
Continue
Réalisation simple et à faible coûts
Réalisation plus complexe et plus
dispendieuse
Régulation imprécise en raison du
différentiel d'opération inhérent
Bonne performance en régulation:
• élimination de l'erreur en régime
permanent
• minimisation du temps de
réponse
• Minimisation du dépassement
Bien adapté aux systèmes où seuls
deux états sont nécessaires
Bien adapté aux systèmes où la
transitoire entre deux états doit être
contrôlée
MEC743
MEC645
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01 - Introduction
Exemples d’actuateur
• Moteurs (CC, CA, pas à pas)
• Vérins (hydrauliques ou pneumatiques)
• Vannes
• Pompes et compresseurs
• Éléments de chauffage
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01 - Introduction
Contrôle de température
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01 - Introduction
Vitesse d’un convoyeur
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01 - Introduction
Contrôle multi-variables
• Plusieurs paramètres ont un impact sur la
valeur à contrôler.
• Plusieurs capteurs et/ou actuateurs sont
utilisés dans les boucles de contrôle.
• Le contrôle se fait grâce à
■ Plusieurs contrôleurs simples et indépendants
■ Des contrôleurs en cascade (maître-esclave)
■ Un contrôleur complexe à plusieurs entrées et
plusieurs sorties
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01 - Introduction
Industrie du bois d’œuvre
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01 - Introduction
Vitesse d’un alternateur
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01 - Introduction
Gustav Kirchhoff (1824-1887)
Circuits électrique, magnétique
et électronique
V  0
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01 - Introduction
Résistance électrique
V  RI
V:
R:
I:
P:
V
R
I
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Différence de potentiel (V)
Résistance ()
Courant électrique (A)
Puissance dissipée (W)
P  R I2
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01 - Introduction
Résistances en série
V  Réq  I
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où Réq  R1  R2    Rn
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01 - Introduction
Diviseur de tension
R2
V2  V 
R1  R2
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01 - Introduction
Résistances en parallèle
V  Réq  I
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où
1
1
1
1
 

Réq R1 R2
Rn
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01 - Introduction
Diviseur de courant
R1
I2  I 
R1  R2
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01 - Introduction
Capacitance électrique
• Dispositif (condensateur) qui emmagasine de l’énergie
dans son champ électrique
• Constitué de deux armatures (surfaces conductrices)
parallèles séparées par une mince couche isolante
(diélectrique)
• Représenté par le symbole C et se mesure en farads
(symbole F).
C
A
d
: permittivité du diélectrique (isolant)
A: surface des électrodes
d: distance entre les électrodes
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01 - Introduction
Condensateur
Q t 
1
V  t    I  t  dt 
C
C
d Q t 
d V t 
I t  
C
dt
dt
V:
C:
I:
Q:
E:
Différence de potentiel (V)
Capacité (F)
Courant électrique (A)
Charge électrique (Coulomb)
Énergie emmagasinée (J)
E  12 C V 2
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01 - Introduction
Inductance électrique
• Dispositif (bobine) qui emmagasine de l’énergie dans son
champ magnétique
• Constitué par l’enroulement d’un fil conducteur autour
d’un noyau (ferromagnétique ou non)
• Représenté par le symbole L et se mesure en henrys
(symbole H).
A
N2
L
 N2 


r

A
  2 r
I
V
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N: Nombre de tours de fil
R: Réluctance magnétique
: perméabilité magnétique
: longueur du parcours magnétique
A: section du parcours magnétique
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01 - Introduction
Réluctance et flux magnétique
• La réluctance d’un circuit magnétique désigne sa
résistance au passage d'un flux magnétique. Elle est
représentée par le symbole  et s'exprime en ampère-tour
par weber (symbole At/Wb)
• L'intensité du flux magnétique  produit par une bobine
dépend de la réluctance magnétique du parcours
emprunté par ce flux. Ce flux s'exprime en weber (symbole
Wb)
I

 noy
 noy  Anoy
 air

 air  Aair
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Anoy

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noy

N I

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01 - Introduction
Perméabilité magnétique
• Propriété d’un matériau désignant son aptitude à canaliser les
lignes de force magnétique
• Représentée par le symbole 
• Souvent exprimé sous la forme de perméabilité relative:
r 

0
où  0  4  10 7 H/m (perméabilité du vide)
• Dans les matériaux non magnétiques, r  1
• Dans les matériaux ferromagnétiques, r >> 1 (250 à 1000000)
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01 - Introduction
Inductance
V t   N
I t  
V:
L:
N:
:
I:
E:
d  t 
d I t 
L
dt
dt
1
V  t  dt

L
Différence de potentiel (V)
Inductance (H)
Nombre de tours de fil
Flux magnétique (Wb)
Courant électrique (A)
Énergie emmagasinée (J)
E  12 L I 2
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01 - Introduction
Diode
• Composant électronique non-linéaire qui ne laisse
passer le courant électrique que dans un sens
(similaire à un clapet anti-retour)
• Fabriqué à partir d'un matériau semi-conducteur
dans lequel une jonction P-N a été produite:
– Semi-conducteur de type P (riche en trous) sur lequel on fixe
l'anode (+)
– Semi-conducteur de type N (riche en électrons libres) sur
lequel on fixe la cathode (-)
souvent identifiée par un trait
distinctif sur le dispositif.
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01 - Introduction
Théorie des bandes
Dans un solide, les électrons occupent des niveaux énergétiques situés à l'intérieur
de bandes d'énergie permise:
• Bande de valence: Bande d'énergie entièrement occupée à 0°K (les électrons
contribuent à la cohésion locale du matériau mais ne participe pas à la conduction
électrique). Les électrons sont liés à leurs atomes respectifs.
• Bande de conduction: Bande d'énergie vide ou partiellement occupée
(conducteurs) dans laquelle les électrons sont libres de circuler d'un atome à l'autre.
Ces
deux
bandes
sont
normalement séparées par une
bande interdite à l'intérieur de
laquelle il ne peut y avoir
d'électrons.
Dans
un
semiconducteur, cet intervalle (1,12 eV
pour le silicium) est plus faible que
pour les isolants (plus de 6 eV).
Dans un conducteur, les deux
bandes se chevauchent permettant ainsi la conduction .
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01 - Introduction
Fonction de Fermi-Dirac
La probabilité de présence d'un électron sur un niveau d'énergie E est
donnée par la fonction de Fermi-Dirac:
f E  
1
e  E  EF  kT  1
EF: Niveau de Fermi (eV)
k: Constante de Boltzmann (8.62 x 10-5 eV/°K)
T: Température (°K)
Dans un semi-conducteur intrinsèque,
le niveau de Fermi se situe à michemin entre Ev et Ec
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01 - Introduction
Semi-conducteur extrinsèque
Un semi-conducteur extrinsèque est dopé par des impuretés spécifiques
lui conférant des charges excédentaires en quantités contrôlées (adaptées
aux applications électroniques)
Dans un semi-conducteur de type N,
le niveau de Fermi s'approche de Ec.
Dans un type P, il s'approche de Ev.
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01 - Introduction
Jonction P-N
Assemblage de deux régions respectivement dopées P et N
• Les électrons libres près de la jonction migrent vers la région de type P et se combinent
avec des trous pour former des ions négatifs
• Le départ d'un électron de la région de type N crée un ion positif
• Ce mouvement d'électrons crée une zone dépourvue de porteurs majoritaires (électrons
libres ou trous). Cette zone, appelée zone de déplétion, est non conductrice
• À l'équilibre, les électrons libres de la région de type N n'arrivent plus à franchir cette
barrière. Ils en sont empêchés par le champ électrique qui s'y est bâti (ils sont repoussés
par les ions négatifs et attirés par les ions positifs).
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01 - Introduction
Polarisation d'une jonction
• Le champ électrique produit par la source
s'ajoute au champ interne augmentant
d'autant la hauteur de la barrière de potentiel
à franchir par les porteurs de charge
majoritaires
• Les trous et les électrons libres sont
éloignés de la jonction
• La zone de déplétion devient plus large
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• Le champ électrique produit par la source
s'oppose au champ interne réduisant
d'autant la hauteur de la barrière de potentiel
à franchir par les porteurs de charge
majoritaires
• Les trous et les électrons libres sont
poussés vers la jonction qu'ils traversent
• La zone de déplétion devient plus étroite
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01 - Introduction
Diode
I

V
V:
I:
I0:
V0:
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
I  I 0  eV V0  1
Différence de potentiel (V)
Courant électrique (A)
Courant de fuite inverse (A)
Tension de seuil (V)
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01 - Introduction
Circuits redresseur
Simple alternance
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Double alternance
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01 - Introduction
Transistor de commutation
• Composant électronique utilisé comme interrupteur
de courant électrique (similaire à une soupape)
• Fabriqué à partir d'un matériau semi-conducteur. On
distingue généralement les transistors bipolaires
(P-N-P ou N-P-N) et les transistors à effet de champ
(FET).
Bipolaire
B Base
G Grille
C Collecteur
D Drain
E Émetteur
S Source
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FET
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Transistor bipolaire NPN
Modèle valable en mode
d'opération linéaire
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01 - Introduction
Transistor FET
Zone linéaire: le canal sous la grille se comporte comme
une résistance variable contrôlée par la tension de grille
Zone saturée: quand la tension de grille devient trop
grande, elle affecte, elle aussi, la largeur du canal sous
la grille. On dit qu'il y a pincement ce qui augmente la
résistance du canal
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01 - Introduction
Diode électroluminescente (DEL)
Composant optoélectronique capable d’émettre de la
lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique
(diode PN en polarisation directe).
• C’est lors de la recombinaison d’un électron et d’un trou qu’il
y a émission d’un photon lumineux. En effet, la transition
d’un électron entre la bande de conduction et la bande de
valence (moins énergétique) s'accompagne de l’émission
d’un photon dont l'énergie est donnée par la différence entre
les deux niveaux d’énergie.
• La couleur émise (longueur d'onde du photon) dépend de
l'énergie de ce photon.
hc

E
: longueur d'onde du photon (m)
h: constante de Planck (4.13 x 10-15 eV·s)
c: vitesse de la lumière (3 x 108 m/s)
E: Énergie du photon (eV)
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MEC-743 Instrumentation et contrôle de procédés industriels
01 - Introduction
Optocoupleur
• Un optocoupleur est un composant qui permet le transfert d'informations
entre deux bornes isolées l'une de l'autre d'un point de vue électrique. Le
couplage entre l’entrée et la sortie du dispositif s'effectue par de la
lumière qui peut être visible ou invisible (infrarouge).
• Un tel dispositif peut être requis pour, par exemple, commuter une
tension grâce à un signal de tension différente.
• L’optocoupleur permet également de filtrer le signal d’entrée d’un certain
niveau de bruit parasite.
• Si I1 est suffisant, la lumière émise par
la DEL active le phototransistor qui
laisse circuler le courant I2 librement.
• Si I1 est insuffisant, le phototransistor
n’est pas activé et il empêche la
circulation du courant I2.
Département de génie mécanique
Programme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
MEC743 - Martin Viens, prof.
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