Formation d’Ingénieur Industriel Electromécanicien
Travail de mémoire de fin d’études
Simulation et automatisation d’un système de commande électrique des pompes centrifuges de l’exhaure de la mine de Kipushi
Schaeil KABONDO MALOBA
Sous la direction de professeur docteur Ingénieur
Blaise FYAMA
Octobre 2014
Epigraphe :
« Savoir pour prévoir, prévoir pour agir »
Auguste comte
DEDICACE
A l’Eternel notre Dieu, qui par son amour inégalable, m’a toujours comblé de grâces et de bénédictions.
A vous chers père Paul Kabondo Lenge et chère mère Kamin a Mwenz, pour votre soutien tant moral, matériel que spirituel.
A vous mes très chers frères et sœurs : Danny
Kabondo Banza, Pastisse Mwenz Mutomb, Cannelle
Lenge Wa Banza, Nancy Makonga Wa Kabondo, Yasmine Kamin Lenge, Helen migrette Kabondo Ngoie.
AVANT-PROPOS
La rédaction d’un mémoire couronne la fin du parcours universitaire d’un étudiant, c’est ainsi qu’arrivé au terme de notre formation d’Ingénieur Industriel Electromécanicien, nous avons été soumis à sa réalisation et sa défense.
Nos remerciements s’adressent particulièrement au professeur docteur Ingénieur Blaise FYAMA, lui qui malgré ses multiples occupations a accepté la direction de ce présent travail.’
A l’Ingénieur Tristan MATANDA, pour son encadrement et sa documentation.
A travers le professeur Docteur Ingénieur Willy KITOBO, nous remercions tout
le corps enseignant de l’Ecole Supérieur des Ingénieurs Industriels, particulièrement celui du département du génie électrique pour le savoir qu’ils nous ont dispensée, ainsi que la formation dont ils nous ont fait bénéficier.
Que soit remercié également le personnel de la mine de Kipushi corporation ; plus spécialement celui du département électromécanique, pour sa collaboration durant notre période de recherche. Nous citons Ingénieur Paul, KUMWIMBA.
Que nos collègues, compagnons de lutte et ami(es)avec qui nous avons partagé des
moments aussi bien agréables que pénibles tout au long de notre parcours, trouvent à travers ce travail une marque de sympathie.
Enfin que tous ceux qui nous ont soutenu de loin ou de près et dont les noms nous
ont échappé par inadvertance trouvent ici l’expression de notre profonde gratitude.
Résumé
Le présent travail, initié par l’entreprise Kipushi Corporation (KICO), a pour objectif de rendre automatique la gestion des stations d’exhaure au moyen des automates programmables. Les stations d’exhaure concernées ne doivent pas se trouver dans la zone d’exploitation.
L’étude a pour objectif de déterminer les performances du système de commande électrique et de rendre la gestion autonome des stations d’exhaure de la mine de Kipushi au moyen des automates programmables, ceci a pour raison non pas la modélisation des systèmes d’automatisme archaïque présent à certains endroits, mais l’automatisation de l’exhaure avec la technologie la plus récente qui est celle des automates programmables.
Pour cela, nous avons procédé à une étude de régulation et du comportement dynamique du système afin de déterminer la stabilité de ce processus par l’intermédiaire de la simulation qui est en extension avec le logiciel Mat lab., utilisant les méthodes :(de Ziegler et Nichols) ; conformément au cahier de charge, le temps de réponse est inferieure à 30 secondes, la marge de gain est comprise entre 16.6 et 37.4 dB ; et la marge de phase est située entre 78.1 ° et 90°.
Compte tenu de la configuration de la mine et de la disposition des galeries de mise en décharge, nous avons choisi de commander les différents équipements en fonction du niveau d’eau. Des valeurs seuils des niveaux d’eaux récoltées aux moyens de capteurs nous permettent selon le besoin de démarrer et d’arrêter les pompes. La commande de celle-ci implique également celle des vannes d’aspiration et des vannes de refoulement.
Fort de ces dispositions, nous avons conçu un programme permettant à
l’automate de gérer tous les aspects impliquant la transmission de la consigne (niveau) à travers un signal électrique provenant du capteur, et par rapport à cette consigne, la commande et la gestion des équipements.
Etant donné que les difficultés de câblage, nous avons opté pour l’utilisation des micro- automates SIMATIC7-200 et la communication par onde porteuse.
Ces micro–automates seront placés dans chaque salle contenant une station d’exhaure. Ils seront considérés comme esclave et seront reliés à une CPU qui sera considérée comme maitre. La communication entre automates se fera par le protocole Modbus (les esclaves communiquent avec le maitre mais pas entre eux).
Les esclaves recevront leurs instructions du maitre mais en cas de rupture de la communication, ils pourront gérer leurs stations de façon autonome.
La communication par onde porteuse nous permettra de relier les cartes
réseaux de tous les automates esclaves au maitre par l’intermédiaire du câblage électrique existant.
Table des matières
RESUME ……………………………………………………………………………………………………………………………….. IV
TABLE DES MATIERES ……………………………………………………………………………………………………………. VI
LISTE DES FIGURES …………………………………………………………………………………………………………………. 1
LISTE DES TABLEAUX ………………………………………………………………………………………………………………. 2
INTRODUCTION GENERALE …………………………………………………………………………………………………….. 3
CHAPITRE I : GENERALITES SUR L’AUTOMATISATION ………………………………………………………………… 5
I.1. INSTRUMENTATION ……………………………………………………………………………………………… 6
I.1.1. GENERALITES SUR LES CAPTEURS ……………………………………………………………………………… 6
I.1.2. DIFFERENTS TYPES DE MESURAGE POUVANT ETRE APPLIQUES EN EXHAURE …………………. 9
I.2. AUTOMATISME ………….………………………………………………………………………………………. 18
I.2.1. PARTIE OPERATIVE ………………………………………………………………………………………………… 18
I.2.2. PARTIE COMMANDE ………………………………………………………………………………………………. 22
I.2.3. LES POMPES CENTRIFUGES …………………………………………………………………………………….. 26
I.2.4. COUPLAGE DES POMPES ………………………………………………………………………………………… 29
I.2.5. PHENOMENES TRANSITOIRES D’UNE POMPE ……………………………………………………………. 32
I.2.4. PROCESSUS D’AUTOMATISATION PAR LE BIAIS D’UN AUTOMATE PROGRAMMABLE
INDUSTRIEL (API) …………………………………………………………………………………………………………… 33
CHAPITRE II. EXHAURE DE KIPUSHI CORPORATION …………………………………………………………………. 39
1.MINE DE KIPUSHI ………………………………………………………………………………………………. 39
II.1.1. PRESENTATION DE LA MINE DE KIPUSHI ………………………………………………………………….. 39
2.GENERALITES SUR LA MINE SOUTERRAINE DE KIPUSHI ………………………………………………. 39
PRESENTATION DE L’EXHAURE …………………………………………………………………………….. 44
II.2.1.Defintion de l’exhaure ……………………………………………………………………………………………. 44
II.2.2.Importance du système d’exhaure dans la mine de Kipushi ……………………………………….. 44
II.2.3.Situation actuelle de l’exhaure de Kipushi ………………………………………………………………… 45 II.2.4. Exhaure en souterrain …………………………………………………………………………………………… 46
II.2.5.Les moteurs d’entrainement et leurs alimentations électriques ………………………………….. 47
II.2.6.Presentation des salles d’exhaures ………………………………………………………………………….. 48
3.NIVEAU D’AUTOMATISATION ACTUELLE DE L‘EXHAURE …………………………………………….. 52
CHAPITRE III : SIMULATION ET AUTOMATISATION DE LA CHAINE D’EHXAURE DE LA MINE DE
KIPUSHI…………………………………………………………………………………………………………………….. 53
1.CAHIER DE CHARGE ……………………………………………………………………………………………. 53
III.1.1. Objectif ………………………………………………………………………………………………………………. 53
III.1.2. Critère de base ……………………………………………………………………………………………………. 53
2.CONCEPTION D’UN SYSTEME DE REGULATION ………………………………………………………… 55
1.CHOIX DE LA METHODE DE REGULATION ………………………………………………………………… 56
DESCRIPTION DE LA CHAINE DE REGULATION DU SYSTEME D’EXHAURE …………………….. 57
MODELISATION DES DIFFERENTS ELEMENTS …………………………………………………………… 59
SIMULATION DE LA CHAINE D’EXHAURE DE KIPUSHI ……………………………………………….. 70
III.3.1. ANALYSE DYNAMIQUE DU SYSTEME AVEC LE LOGICIEL MATLAB/SIMULINK ET
INTERPRETATION DES RESULTATS …………………………………………………………………………………… 70
4.PROGRAMMATION DE LA CHAINE D’EHXAURE SOUS STEP-7 MICRO/WIN ……………………. 76
1.DESCRIPTION DE STEP 7-MICRO/WIN ……………………………………………………………………… 76
III.4.2. CREATION DU PROGRAMME POUR L’AUTOMATISATION DE L’EXHAURE ……………………. 79
CHAPITRE IV : VUE D’ENSEMBLE DU PROCESSUS, MATERIEL UTILISES ET CABLAGE DE
L’INSTALLATION …………………………………………………………………………………………………………………. 107
1.ALIMENTATION ELECTRIQUE ………………………………………………………………………………. 107
IV.2.ARMOIRE DE TELEMETRIE ………………………………………………………………………………….. 109
IV.3.SCHEMA GENERAL …………………………………………………………………………………………… 113
IV.4.COMMUNICATION ENTRE AUTOMATE …………………………………………………………………. 114
IV.4.1. RESEAUX PPI A UN SEUL MAITRE …………………………………………………………………………. 114
IV.4.2. LE COURANT PORTEUR EN LIGNE ………………………………………………………………………… 114
IV.5.CABLAGES DES ENTREES/SORTIES ……………………………………………………………………….. 120
CONCLUSION GENERALE …………………………………………………………………………………………………….. 121
BIBLIOGRAPHIE ………………………………………………………………………………………………………………….. 124
OUVRAGES ………………………………………………………………………………………………… 124
TRAVAIL DE FIN D’ETUDES, DEA et THESES……………………………………………………….. 124
ARTICLES …………………………………………………………………………………………………… 125
AUTRES TRAVAUX ……………………………………………………………………………………….. 125
WEBOGRAPHIE …………………………………………………………………………………………… 125
LISTE DES FIGURES
Figure 1 – Composition d’une chaine d’acquisition d’un point de vue fonctionnel …………….. 4
Figure 2 – Schéma élémentaire de contrôle de processus dans une automatisation ………… 6 Figure 3 – Exemple d’évolution d’une mesurande (m) et de la réponse correspondante du capteur
Figure 4 – Courbe d’étalonnage d’un capteur : son établissement à partir des valeurs
connues de la mesurande m …………………………………………………………………………………… 7
Figure 5 – Courbe d’étalonnage d’un capteur : son exploitation à partir des valeurs
mésurées de la réponse s du capteur ……………………………………………………………………….. 8 Figure 6 – Débimètre électromagnétique …………………………………………………………………..10
Figure 7 – Projection des forces électromagnétiques …………………………………………………11
Figure 8 – Flotteur
Figure 9 – Plongeur
Figure 10 – Sondes conductimétriques …………………………………………………………………….15
Figure 11 – Tube de Pitot ……………………………………………………………………………………….17 Figure 12 – Capteur de pression dynamique ………………………………………………………………..
Figure 13 – Schéma de principe ………………………………………………………………………………17
Figure 14 – Allure de la tension entre phases du moteur ……………………………………………..21
Figure 15 – Diagramme synoptique ………………………………………………………………………….21
Figure 16 – Diagramme unifilaire ……………………………………………………………………………..24
Figure 17 – Diagramme schématique ; demarrage direct …………………………………………….25
Figure 18 – Diagramme des connexions …………………………………………………………………..25
Figure 19 – Montage d’une pompe …………………………………………………………………………..26
Figure 20 – Couplage des pompes en parallèle ………………………………………………………….29
Figure 21 – Couplage des pompes en serie ………………………………………………………………31
Figure 22 – Connexions des dispositifs d’un API ……………………………………………………….33
Figure 23 – Constitution d’un API …………………………………………………………………………..33
Figure 24 – Localisation de la mine de Kipushi ………………………………………………………….40
Figure 25 – Schéma simplifié de l’exhaure de la mine de Kipushi ………………………………..43
Figure 26 – Eléments constitutifs de la chaine d’exhaure ………………………………………….57
Figure 27 – Schéma fonctionnel de la régulation ………………………………………………………..58
Figure 28 – Modèle du moteur asynchrone triphasé ……………………………………………………60
Figure 29 – Modélisation de la galerie de mise en charge ……………………………………………63
Figure 30 – Schéma bloc du niveau 512 …………………………………………………………………..65
Figure 31 – Schéma bloc du niveau 710 …………………………………………………………………..66
Figure 32 – Schéma bloc du niveau 860 ……………………………………………………………………67
Figure 33 – Schéma bloc du niveau 938.5 …………………………………………………………………68
Figure 34 – Schéma bloc du niveau 1166 ………………………………………………………………….69
Figure 35 – Réponse indicielle du niveau 512 ……………………………………………………………71
Figure 36 – Réponse indicielle du niveau 710 ……………………………………………………………72
Figure 37 – Réponse indicielle du niveau 860 ……………………………………………………………73
Figure 38 – Réponse indicielle du niveau 938.5 ………………………………………………………….74
Figure 39 – Réponse indicielle du niveau 1166 ………………………………………………………….75
Figure 40 – Table des mnémoniques ……………………………………………………………………….89
Figure 41 – Schéma d’alimentation de l’exhaure 512 ……………………………………………….. 107
Figure 42 – Commande du moteur à travers un variateur de vitesse …………………………… 108
Figure 43 – Dimensions pour le montage du S7-200 sur panneau …………………………….. 109
Figure 44 – Schéma général d’automatisation de l’exhaure de Kipushi ………………………… 113
Figure 45 – Commande à partir du niveau ………………………………………………………………. 119
Figure 46 – Cablâge des entrées et sorties pour une pompe ……………………………………… 120
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 – Consignes De Travail ……………………………………………………………………………54
Tableau 2 – Dimensions Pour Le Montage Du S200 ………………………………………………… 110
INTRODUCTION GENERALE
Bien qu’indispensable pour certains travaux miniers tels que l’arrosage des pistes, l’eau constitue une inquiétude et un danger permanent dans toute exploitation minière.
L’exhaure est la solution technique adéquate car elle permet de rabattre le niveau hydrostatique des différentes nappes par évacuation d’eau indésirable et d’assainir ainsi le milieu de travail.
En exhaure, les conséquences résultant des négligences ou d’erreur des calculs sont désastreuses car elles peuvent aboutir à l’érosion des pistes, l’éboulement ou la noyade de la mine. Les frais engagés pour le dénoyage ainsi que le remplacement des matériels défectueux par la période d’inactivité engendrée seraient trop importants. Sans compter le manque à gagner de l’entreprise causé par ces évènements.
Afin de garantir un rendement optimal et sans défaut, il nous a paru
nécessaire d’automatiser les différents processus mécanisés dans tous les secteurs de l’industrie de l’exhaure de la mine de Kipushi ; mais par soucis de circonscrire le cadre de notre travail, nous nous limiterons à celle de la chaine d’exhaure.
En effet, la commande semi-automatique ou solution câblée de l’exhaure de la mine de Kipushi connait plusieurs défaillances à cause des difficultés dues aux vétustés et à la complexité de ces câblages ; car de nos jours, la logique câblée adoptée jadis pour ce système de commande, s’avère être obsolète et est abandonnée par bon nombre des constructeurs, au profit de système de commande à logique programmée. Celle-ci est restreinte à la commande unique du moteur par le biais d’un relais et selon une contrainte prédéfinie.
C’est ainsi que le département électromécanique de l’Entreprise Kipushi Corporation, nous a proposé de faire une étude de simulation et automatisation du système de commande électrique des pompes centrifuge ainsi de concevoir un système de commande plus moderne, qui prend compte des nouvelles exigences d’une installation automatisée, à savoir :
Grande flexibilité de la configuration de la chaine d’exhaure ;
Grande souplesse de l’installation grâce à la vitesse de traitement des équipements intelligents ;
Fiabilité et disponibilité accrues ;
Rendement énergétique élaboré approchant l’optimum ; Entretient réduit.
Au regard des points cités ci-haut, par souci d’être plus clair et efficace
dans les recherches du présent travail, nous l’intitulons :
« SIMULATION ET AUTOMATISATION D’UN SYSTEME DE
COMMANDE ELCTRIQUE DES POMPES CENTRIFUGES DE L’EXHAURE DE LA MINE DE KIPUSHI ».
Pour réaliser ce travail, nous procédons à une étude de simulation afin de déterminer la stabilité et les performances du système. L’analyse de données récoltées lors de nos multiples visites sur le site, vont nous permettre de faire le choix de la technologie qui répondrait au mieux à nos attentes et de procéder à la conception du système de commande automatique.
Hormis l’introduction générale que nous venons d’esquisser et la conclusion générale à la fin de ce présent document, le texte présentant ce travail, s’articulera autour de quatre chapitres :
Le premier chapitre nous donnera un aperçu général sur les méthodes et les procédés employés dans une étude d’automatisation.
Le second chapitre va décrire notre cadre de travail qui est l’exhaure de la mine de Kipushi et nous donnera sa situation actuelle aussi bien en équipement qu’en degré d’automatisation.
Le troisième chapitre illustrera la solution d’automatisation que nous apportons. Cette partie va reprendre l’étude de régulation du système et la programmation du processus à travers l’automate programmable. Ceci nous permettra de définir les différents paramètres et opérations ainsi les facteurs à prendre en compte pour établir le modèle mathématique.
Le dernier chapitre va traiter de toute l’organisation matérielle nécessaire à la réalisation effective du projet.
