Maîtriser l’automatisation des exhaures : Techniques et matériel avancés

CHAPITRE IV : VUE D’ENSEMBLE DU PROCESSUS, MATERIEL UTILISES ET CABLAGE DE L’INSTALLATION

Dans ce chapitre, nous allons donner une idée globale sur la configuration matérielle, la communication des automates, le transport du signal et la commande.

ALIMENTATION ELECTRIQUE

Le schéma de la figure représente l’alimentation électrique de l’exhaure 512, dans laquelle les pompes fonctionnent avec une tension de 550 V. Il peut être repris pour l’exhaure 710 et l’exhaure principal en modifiant les valeurs de tentions et le nombre des pompes (6600 V pour l’exhaure principale et 550 V pour les Exhaures secondaires).

1.5KV

550 V

Secteur porte Fusible

Disjoncteur Principal

KM1

KM2

Disjoncteur

Disjoncteur

550 V

Armoire de télémetrie

220 V

KM3KM4KM5KM6

M P

M P

M

M

M

M

1.5KV

550 V

Secteur porte Fusible

Disjoncteur Principal

KM1

KM2

Disjoncteur

Disjoncteur

550 V

Armoire de télémetrie

220 V

KM3KM4KM5KM6

M P

M P

M

M

M

M

KM:Contacteur

Moteurs Pompes

Prises de courant 3phases

Moteurs. Vannes.

Aspiration

Moteurs. Vannes. Refoulement

Figure.41 – Schéma d’alimentation de l’exhaure 512

En plus de l’alimentation des moteurs, nous devons prévoir une alimentation pour les moteurs des vannes ainsi que les équipements de l’armoire de télémétrie fonctionnant en basse tension.

Les moteurs des pompes pourront, le cas échéant, être commandés avec un variateur de vitesses. Cette commande peut être illustrée de la manière suivante :

Figure 42 – Commande du moteur à travers un variateur de vitesse.

ARMOIRE DE TELEMETRIE

On y place l’automate programmable, les équipements utilisés pour la communication de l’automate avec un milieu extérieur, les dispositifs de protection, ainsi que tous les relais qui le lie aux entrées et aux équipements à commander.

L’automate S7-200 peut être monté sur un panneau ou sur un profilé support et être orienté horizontalement ou verticalement.

Les CPU et modules d’extension S7-200 comportent des trous de fixation pour faciliter leur montage sur un panneau.

Figure 43 – Dimensions pour le montage du S7-200 sur panneau

Tableau.2 – Dimensions pour le montage du S7-200

Référence .2. S7-200 Manual System

En règle générale pour la mise en place des unités, il faut toujours séparer les unités générant une tension élevée et un bruit électrique important des unités de type logique basse tension, telles que le S7-200.

Lors de l’implantation du S7-200, les unités sources de chaleur doivent être prises en compte et les unités de type électronique doivent être placées dans les

zones plus fraîches de l’armoire. L’utilisation d’une unité électronique dans un environnement à température élevée réduit le temps sans défaillance.

Les câbles de signaux et ceux de communication de faible tension ne doivent pas être placés dans la même goulotte que le câblage de puissance en courant alternatif et le câblage pour courant continu à commutation rapide et haute énergie.

Une mise à la terre et un câblage correct de tout l’équipement électrique sont importants pour garantir un fonctionnement optimal du système et pour fournir une protection supplémentaire contre le bruit électrique.

En ce qui concerne l’isolation, les barrières d’alimentation en courant alternatif du S7-200 et les barrières d’Entrées/Sorties vers les circuits en courant alternatif ont été conçues et homologuées comme fournissant une séparation sûre entre les tensions de ligne de courant alternatif et les circuits basse tension.

Ces barrières incluent une isolation double ou renforcée ou bien une isolation de base plus supplémentaire en fonction des différentes normes. Les composants traversant ces barrières, tels que coupleurs optiques, condensateurs, transformateurs et relais, ont été homologués comme fournissant une séparation sûre. Les barrières d’isolation conformes à ces exigences sont signalées dans les fiches techniques S7-200 comme ayant une isolation de 1500 V~ ou plus.

La sortie d’alimentation de capteur, les circuits de communication et les circuits de logique interne d’un S7-200 à alimentation en courant alternatif incluse sont classés comme très basse tension de sécurité (TBTS) selon EN 61131-2. Ces circuits deviennent TBTP (très basse tension de protection) si l’alimentation de capteur ou toute autre connexion non isolée vers le S7-200 est mise à la terre.

Les autres connexions du S7-200 qui pourraient référencer la basse tension à la terre sont signalées comme non isolées vers la logique sur certaines fiches techniques.

Il s’agit, par exemple, des Entrées/Sorties analogiques et des bobines de relais.

Pour préserver le caractère TBTS et TBTP des circuits basse tension du S7-200, les connexions externes aux interfaces de communication, les circuits analogiques et l’ensemble de l’alimentation nominale 24 V et des circuits d’E/S doivent être alimentés par des sources homologuées conformes aux exigences TBTS, TBTP, tension limitée ou courant limité selon les différentes normes.

Les charges inductives doivent être équipées de circuits de protection qui écrêtent la montée de tension lorsque la sortie de commande est désactivée. Les circuits de protection par écrêtage protègent les sorties d’une défaillance prématurée due à des courants de commutation inductifs élevés. En outre, ces circuits limitent le bruit électrique généré lors de la commutation de charges inductives.

Les sorties en courant (continu ou alternatif) disposent d’une protection interne convenant à la plupart des applications. Comme les relais peuvent servir aussi bien pour une charge en courant continu que pour une charge en courant alternatif, la protection interne est inexistante.

SCHEMA GENERAL

AUTOMATE MAITRE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

RMOIRES DE

OMMANDES

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

A C

AUTOMATE MAITRE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

RMOIRES DE

OMMANDES

ARMOIRE DE

TELEMETRIE

M

M

M

M

AUTOMATE

ESCLAVE

A C

Figure 44 – Schéma général d’automatisation de l’exhaure

La commande des moteurs (pompes et vannes) ainsi que le transport du signal électrique leur permettant de fonctionner se fait au niveau de l’armoire de commande.

Tous les éléments permettant la gestion du signal électrique au niveau de l’armoire de commande est raccordé ensuite à l’armoire de télémétrie.

Les automates de chaque armoire seront reliés à la carte réseau de l’automate maitre par lequel la commande à distance sera effectuée.

N.B. Chaque armoire de télémétrie peut gérer sa sous station de façon autonome dès que la communication avec le maitre est rompue.

COMMUNICATION ENTRE AUTOMATE

La communication que nous voulons créer dans ce paragraphe se fait uniquement entre l’automate esclave et l’automate maitre. Ce dernier centralise toutes les informations des différentes sous-stations se trouvant dans la mine.

Etant donné que le câblage pour recueillir ces infos de la mine est difficile à réaliser, la solution possible et facile pour l’acheminement de ces informations est le courant porteur en ligne.

RESEAUX PPI A UN SEUL MAITRE

Pour un réseau simple à un seul maître, la station de programmation et la CPU S7-200 sont raccordées par un câble PPI multi-maître ou par un processeur de communication (carte CP) installé dans la station de programmation.

La CPU S7-200 est un esclave qui réagit à des demandes du maître.

Pour un réseau PPI à un seul maître, le STEP 7-Micro/WIN doit être configuré afin qu’il utilise le protocole PPI. Les options Réseau multi-maître et PPI évolué doivent être annulés de la sélection.

LE COURANT PORTEUR EN LIGNE

Le courant porteur (CPL) en ligne est une nouvelle technologie qui permet le transfert des données numériques en utilisant le réseau électrique de l’installation existante.

Le principe des CPL consiste à superposer au signal électrique de basse fréquence (50 Hz) un autre signal à plus haute fréquence (bande de 1,6 à 30 MHz), et de faible énergie. Ce deuxième signal se propage sur l’installation électrique et peut être reçu à distance. Ainsi le signal CPL est reçu par tout récepteur CPL de même catégorie se trouvant sur le même réseau électrique et qui effectue le décodage. Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fréquences avant le traitement du signal.

On utilise donc l’infrastructure électrique existante et il n’y a pas de câblage supplémentaire à faire. Cette technologie peut s’appliquer en interne (indoor) et tout comme en externe (out door).

Récemment (2010-2012), un protocole CPL de communication global, simple et ouvert, dit « G3-PLC » (ou « G3-Power Line Communication »), a été spécialement développé pour le fonctionnement des Smarter Grids.

Ce protocole pourra, à faible coût, compléter ou parfois concurrencer d’autres protocoles de communication dits universels telles que le Wifi ou le Bluetooth.

Il est opérant sur la basse et la moyenne tension et, grâce au nouveau protocole de l’internet dit « protocole IPv6 », se rend compatible avec le Web 2.0 et permet de franchir les transformateurs qui formaient antérieurement une barrière au passage de l’information sur courant porteur.

Nous allons créer un réseau local interne, par cette technique, pour permettre les échanges des informations entre automate et acheminer toute la situation de l’exhaure en surface.

Ceci est bénéfique pour nous vue la complexité du réseau et le temps que le câblage pourrait mettre dans la mine.

Les câbles qui sont utilisés dans la mine de Kipushi sont de type PRC. Cela nous donne une certitude que le réseau fonctionnera sans ambiguïté car la double protection de son isolant assure une sécurité pour le personnel contre les radiations magnétiques qui peuvent être dues à ce type de réseau.

N.B. Le cryptage est nécessaire pour protéger le réseau contre les envahisseurs extérieurs qui pourront chercher à accéder au réseau.

MISE EN PLACE DU RESEAU CPL

La mise en place de ce type de réseau ne demande que peu de moyens techniques.

Pour notre cas, il suffit de disposer, pour chaque sous-station, de deux adaptateurs. L’un sera branché d’un coté à l’automate par un câble RS485 et de l’autre côté, à la prise du courant de l’installation électrique pour l’émission du signal. Et l’autre sera branché à l’autre automate ou ordinateur selon le cas à la réception du signal.

DESCRIPTION D’UN ADAPTATEUR CPL

Un adaptateur CPL est constitué de deux éléments principaux :

Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fréquences avant le traitement du signal. Pour le réseau interne, il est de nature capacitive et se branche en parallèle avec le départ.

Le modem transforme un flux de bits en signal analogique pour l’émission et inversement en réception, celui-ci inclut les fonctions d’ajout de la redondance et de reconstitution du flux de bits original ou correction d’erreur.

Coupleur : dimensionnement du filtre

Le CPL est une application de la Formule de Thomson :

𝑓 =1 2𝜋√(𝐿𝐶)

(IV.1)

Avec :

f : fréquence est en hertz ;

L : inductance en henry ;

C : capacité en farad.

Dans un poste de radio, L est fixe et C variable par le bouton de recherche des stations, à la fréquence de la station recherchée l’ensemble (L,C) (circuit bouchon) bloque toutes les fréquences sauf celle de la fréquence de la station désirée.

Dans le cas du CPL, l’ensemble (L,C) est fixe et ne récupère que la fréquence de réglage originelle. Ainsi, à la fréquence de 1,6 MHz (fréquence de transmission utilisée), l’ensemble LC sera de :

LC = 1

2𝜋𝑓

(IV.2)

LC =1

(2×3.14×1.6×106)

LC = 0.00 00 00 09

Pour une capacité de 5 µF, l’inductance L du filtre sera de 0,018 Henry.

Ce filtre constitue le blocage de la basse fréquence et laisse passer uniquement la haute fréquence du signal à transporter.

Dans la galerie de mise en charge, nous avons un capteur de niveau et dans la conduite d’aspiration, nous avons un capteur de débit.

Dès que le seuil admissible de niveau est atteint, le capteur de niveau fait passer un signal positif à la carte d’entrée de l’automate ; de même le capteur de débit fait passer un signal positif dès qu’il détecte la présence de débit dans la conduite d’aspiration.

Le capteur de débit sert également de protection en cas de défaillance du capteur de niveau. Une fois les deux signaux reçus, l’automate va envoyer un signal qui va exciter la bobine et ainsi fermer le contacteur par aimantation.

Le relais multifonctionnel (SIMOCODE- PRO) placé après le contacteur coupe automatiquement le circuit en cas de surcharge. Son rôle est de vérifier tous les paramètres de tension et de courant relatif au démarrage et au fonctionnement du moteur.

Il possède un pouvoir de coupure immédiat en cas de défaillance.

Il est relié à la carte d’entrée afin de faire un rapport d’erreur en cas de défaillance.

Si tout se déroule parfaitement, le moteur est lancé et la pompe du niveau bas alimente la tenue (galerie de mise en charge) du niveau haut et ainsi de suite jusqu’à atteindre la surface.

Comme capteurs de niveau dans la tenue, nous plaçons des flotteurs. Ces flotteurs sont disposés selon 4 niveaux seuils :

1e niveau pour la disponibilité des pompes ;

2e niveau pour le démarrage de la première pompe ;

3e niveau pour le démarrage de la deuxième pompe ;

4e niveau pourle démarrage des pompes restantes mais selon une temporisation bien définie (voir programme).

Le capteur fonctionne en tout ou rien. Quand il est en position verticale, son contact est ouvert.

Il ne transmet donc aucun signal. Quand l’eau augmente et que le niveau seuil est atteint sa position devient horizontale et son contacte ferme. Le signal est alors transmis à la carte d’entrée de l’automate. Ainsi, par le biais de la CPU (Unité centrale de traitement) l’automate fournit un signal (par la carte de sortie) qui va commander :

L’ouverture de la vanne d’aspiration ;

Le démarrage de la pompe ;

L’ouverture de la vanne de refoulement

Figure.45 – Commande à partir du niveau

La commande des différentséquipements se fait par le même principe.

Les détails du programme sont explicités dans le chapitre précédant.

CABLAGES DES ENTREES/SORTIES

Figure 46 – Câblage des entrées et sorties pour une pompe.

Toutes les CPU S7-200 possèdent une alimentation interne fournissant du courant à la CPU, aux modules d’extension, ainsi qu’à d’autres équipements consommant du courant 24 V.

Toutes les CPU S7-200 disposent également d’une alimentation de capteur 24 V pouvant fournir du courant 24 V aux entrées, au courant de bobine à relais sur les modules d’extension ou à d’autres équipements. Si les besoins en courant dépassent ce que fournit l’alimentation de capteur, il est possible d’ajouter au système un module d’alimentation 24V externe.

CONCLUSION GENERALE

Notre travail a porté sur la simulation et automatisation d’un système de commande électrique des pompes centrifuges de l’exhaure de la mine de Kipushi.

Ce mémoire de fin d’études a pour objectif de déterminer les performances du système de commande électrique, d’améliorer la productivité, la qualité, la sécurité et de rendre automatique la gestion des stations d’exhaure au moyen des automates programmables.

Le rôle des automates programmables est prépondérant puisque les systèmes automatisés occupent et contrôlent l’ensemble des secteurs de l’économie.

Malgré cette importance, l’automatisme reste méconnu de la plupart d’individus en dehors et même à l’intérieur des cercles scientifiques. De plus, elle produit une image négative lorsqu’elle s’associe aux processus de production pour provoquer le licenciement des travailleurs ainsi que l’augmentation du taux de chômage.

Vu que le système de commande électrique présente des insuffisances face aux sollicitations internes et externes, le mode opératoire et certains paramètres liés au bon fonctionnement des systèmes deviennent difficilement contrôlable. Ceci conduit à un rendement moins optimal.

our cela, nous avons procédé à une étude de régulation afin d’étudier le comportement du système et de déterminer sa performance à travers les équations traduisant le système à automatiser et ainsi maintenir le niveau aux valeurs seuils.

Après avoir analysé le système, nous avons adopté un régulateur proportionnel de Simulink utilisant la méthode de Ziegler et Nichols qui est une méthode pratique et qui nous a permis de déterminer le gain proportionnel du régulateur en faisant les essais de simulations par le logiciel Mat lab. / Simulink.

L’analyse du comportement du système face aux sollicitations montre que le système sera stable pour toutes les stations d’exhaure :

our l’exhaure 512, le temps de réponse sera de 13.1 secondes, la marge de gain de 49.2 et la marge de phase de 60° ;

our l’exhaure 710, le temps de réponse sera de 18.1 secondes, la marge de gain de 43.8 et la marge de phase de 60° ;

our l’exhaure 860, le temps de réponse sera de 15.4 secondes, la marge de gain de 40.1et la marge de phase de 60° ;

Pour l’exhaure 938.5, le temps de réponse sera de 20.3 secondes, la marge de gain de 23.7 et la marge de phase de 79.5° ;

our l’exhaure 1166, le temps de réponse sera de 23.4 secondes, la marge de gain de 59.5 et la marge de phase de 60° ;

Nous avons néanmoins constaté que les méthodes de réglage expérimentales des régulateurs reposaient sur la connaissance du modèle d’un système. Nous nous sommes d’abord intéressés à la modélisation du système avant de procéder à sa synthèse.

Après les simulations par Mat lab. / Simulink, nous avons constaté que la méthode du régleur relative au régulateur proportionnel donnait des bonnes performances et les résultats obtenus correspondent aux valeurs demandées par le cahier de charge.

Le logiciel Mat lab. /Simulink nous a permis de simuler notre système et de l’analyser. La performance des méthodes d’analyse ne peut être qu’appréciable surtout que nous avons laissé à Mat lab. /Simulink le soin de s’occuper de toutes les opérations qui concernent la simulation.

Etant donné que l’étude de régulation a été fructueuse, nous avons procédé à l’étude d’automatisation proprement dite avec les automates programmables.

Le câblage étant difficile au sein d’une mine souterraine nous avons jugé bon de placer un micro-automate (S7-200) à chaque station d’exhaure au lieu de placer un unique automate de grande capacité (S7-300 ou S7-400) pouvant gérer toutes les stations à la fois.

Le nombre d’entrées/sorties d’un micro-automate S7-200 étant de 128, un seul automate pourra gérer les pompes contenues dans une seule salle. Chaque salle aura donc son propre automate.

Ces automates seront considérés comme esclaves et seront reliés à un automate maître situé en surface. Ce dernier pourra gérer, à lui tout seul, toute l’installation par le protocole de communication Modbus (les esclaves communiquent avec le maitre mais pas entre eux). Le programme du maître peut être placé dans l’unité centrale qui sert de serveur.

Quand la communication est rompue l’automate esclave continue à gérer sa station de façon autonome.

Comme nous l’avons dit plus haut, faire le câblage au sein de la mine souterraine est difficile. C’est pourquoi, pour la communication entre automate, nous avons choisi d’utiliser le câblage électrique existant. Ainsi, la communication se fera par ondes porteuses.

Dans la programmation du système nous avons tenu compte de tous les facteurs qui pourraient permettre de gérer le démarrage et l’arrêt séquentiel des pompes et des vannes ainsi que tout facteur indispensable à leur bon fonctionnement.

Ce programme pourra être implémenté dans l’automate une fois l’installation terminée.

Néanmoins, la réalisation de ce système automatique ne va pas complétement éliminer la présence humaine, car hormis la maintenance de différentes salles de la mine de Kipushi, plusieurs tâches nécessitent encore la présence d’un opérateur.

BIBLIOGRAPHIE

OUVRAGES

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ARTICLES

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Willy KITOBO, Cours de méthodologie de la recherche scientifique, Unilu, Lubumbashi, 2010 – 2011.

WEBOGRAPHIE

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