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Automatisation dune centrale C.I.P 1
Introduction gnrale
Valider un procd de nettoyage, cest dmontrer de manire scientifique et
documente, que les diffrentes tapes de ce procd permettent dobtenir dans des
conditions prtablies une surface ne comportant pas de contamination rsiduelle
suprieure une limite pralablement fixe, ceci de manire reproductible
Commission SFSTP, Validation du nettoyage, 1996
La matrise des procds de fabrication dans lindustrie agro-alimentaire exige une
rigueur croissante fin dassurer la puret des produits. Ainsi Le nettoyage occupe une
position cl dans la lutte contre les risques de contamination qui peuvent tre chimiques ou
microbiologiques. Il est, par consquent, garant de la qualit du produit fabriqu.
Il est primordial pour lentreprise doptimiser ses propres procds de nettoyage, et ce
aussi bien au niveau de la formulation des procdures que dans leurs applications. En effet,
tout procd de nettoyage non matris entrane invitablement une augmentation des cots de
production.
Ainsi, la procdure de nettoyage doit tre formule de manire rationnelle afin de
permettre non seulement de matriser la qualit du produit fini, mais galement de mieux
connatre les quipements et danticiper les ventuels problmes pouvant subvenir.
La Socit des Emballages Aluminium Boissons Gazeuse est sollicit ce type de
procdure qui est assure actuellement dune manire manuelle. Afin de faciliter cette tche,
elle ma confi la ralisation du projet dautomatisation de la procdure de nettoyage en place
employe au niveau du systme de production des boissons alcoolises.
Lobjectif de mon projet de fin dtude est la cration dun processus automatise qui
tient compte des paramtres capitaux du nettoyage en place savoir : la concentration, la
pression, le temps de contact et la temprature, ayant pour but de garantir une bonne qualit
du produit fini, ainsi quune bonne gestion de la consommation de leau et des dtergents et
de prserver lenvironnement de lentreprise.
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Ce rapport est compos de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous dcrivons la
procdure de nettoyage en ligne automatiser, son application actuelle et les ventuelles
amliorations effectuer ainsi que la prsentation technique du processus de production
tudi. Puis, dans le deuxime chapitre, nous commenons par prsenter un modle graphique
ordonnanant les diffrents cycles du NEP et permettant la gestion des modes de marche et
arrt, savoir les Grafcets et le guide graphique de gestion des modes de marche et darrt
Gemma . Ensuite, nous dterminons des approximations des paramtres du rgulateur de
temprature programmer en utilisant une modlisation dun changeur thermique. Le
troisime chapitre, fait lobjet de la description et la validation du programme ralis avec
STEP7. Enfin, le quatrime chapitre est consacr la conception et limplmentation dune
application-pupitre permettant le suivi et la commande de la procdure de nettoyage.
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Prsentation de la socit SEABG
S.E.A.B.G : La Socit des Emballages Aluminium et Boissons Gazeuses.
Elle appartient au groupe S.F.B.T (Socit de Frigorifique et Brasserie de
Tunis)
Sige social et bureaux : Bab Saadoun Tunis Tel : 71 896 447
Usine : Zone Industrielle 8040. Bouargoub. Tunisie
Tl : 72 259 632 / 72 259 257 Tlex : 15 432 Tlfax : 72 259 688
P.D.G : M.MOHAMED BOUSBIA
Date de cration: 1987
Capital : 27 500 000 DT
Registre de commerce : 52516
Matricule Fiscale : 30142.F.A.M.000
Activits :
- Mise en boite des bires (Celtia,)
- Mise en boite des boissons gazeux (Coca-Cola, Fanta, Sprite, Boga)
- Fabrication des jus (Miami, Plus, Rea.)
Effectifs : 160 personnes (ingnieurs, techniciens, ouvriers)
Capacit de production :
- Ligne SASIB1 : 32 000 boites / heure
- Ligne SASIB2 : 52000 boites / heure
- Ligne jus: 6000 U/h 7500 U/h
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Chapitre I :
Nettoyage en Place
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Introduction
De nos jours, lentreprise est confronte des multiples problmes dont notamment la
bonne pratique des oprations de nettoyage en place, lvacuation des dchets toxiques et leur
impact sur lenvironnement.
Ce chapitre contient des lments de rponse ces problmes. Nous commenons par
dfinir le terme nettoyage en place puis nous dcortiquons la centrale de nettoyage en
place actuelle, pour aboutir la fin une description de linstallation de nettoyage en place
que nous proposons.
1.1. Le nettoyage en place (NEP)
1.1.1. Quest ce quune NEP ?
Nettoyage en place (NEP), ou encore Cleaning In Place (CIP) est un terme utilis dans
les industries alimentaires et pharmaceutiques qui signifie, comme le nom lindique, que les
quipements peuvent tre nettoys sans devoir tre dmonts ou mobiliss.
Les systmes NEP offrent un nettoyage rapide, efficace et fiable pour tous les types de
processus des entreprises.
1.1.2. Pourquoi le nettoyage ?
Selon lAFNOR (Norme 50-109), le nettoyage est une opration qui consiste
liminer, dans une surface donne, toute souillure visible ou invisible pouvant sy trouve.
Les oprations de nettoyage ont pour objectif dliminer de manire efficace tout traces
de souillures ou contaminations. Les souillures peuvent tre dorigine chimiques, particulaires
ou microbiologiques.
La nature des souillures va directement paramtrer le nettoyage aussi bien au niveau du
dtergent utilis ainsi que la manire technique selon laquelle le nettoyage est ralis.
Dune manire gnrale, on peut noter que :
- Plus la souillure est petite, plus la surface nettoyer sera forte.
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- Plus le dlai dintervention aprs la production est important, plus la souillure est
difficile liminer.
- La rugosit (partie saillante de la surface ingale) du matriel a un impact important
sur la ralisation du nettoyage.
Ltat final du matriel aprs nettoyage est directement li la nature de la souillure,
la nature du dtergent utilis, la configuration du matriel, ainsi qu la manire dont le
nettoyage est ralis.
1.1.3. Mcanisme de nettoyage
La dtergence met en oeuvre un processus physicochimique selon lequel les salissures
ou souillures sont dtaches de leur substrat ou support et mises en solution ou dispersion.
Ainsi un dtergent est un compos chimique, qui, associ des facteurs physiques
(temps, temprature, action mcanique) permet de dbarrasser une surface de sa souillure.
Cela engendre lapparition de trois interfaces (Figure 1):
Surface souillure
Souillure dtergent
Dtergent surface
Ainsi il co-existe dans tout nettoyage :
Une phase solide correspondant la surface souille
Une phase liquide ou solide correspondant la souillure
Une phase liquide correspondant la solution de nettoyage
A chaque interface des forces assurent ladhrence au systme. La souillure doit donc
passer dun tat condens ou agglomr la surface du matriel, un tat dispers dans la
solution de rinage ou nettoyage.
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Figure 1: Mcanisme d'limination des souillures [1]
Ainsi le mcanisme de nettoyage peut tre dcompos en trois grandes tapes.
Cependant, en ralit ces diffrentes tapes ne se succdent pas mais subsistent ensemble.
1.1.4. Paramtrage de la procdure de nettoyage
Les paramtres de la procdure de nettoyage sont galement des facteurs importants
influant sur lefficacit du nettoyage donc sur sa dure.
Quatre paramtres sont considrer lors de la mise en oeuvre dune procdure de
nettoyage. Ces paramtres sont dtermins par la nature de la souillure ainsi que la nature et
ltat du matriel sur lequel la souillure adhre. En effet, une fois la souillure et le matriel
sont soigneusement identifis, le dtergent adquat est slectionn, le paramtrage du
processus de nettoyage en dcoule. Tout fois, on est amen les modifier selon lapparition
dun nouveau type de salissure ou dune volution technique de lun de ces facteurs
(dtergents).
Ces paramtres sont :
Le temps durant lequel le nettoyage est effectu. Les ractions chimiques
aboutissant au nettoyage ne sont jamais instantanes. Rappelons que la quantit de nettoyage
de la souillure rsiduelle est fonction du temps.
La dure de la phase de nettoyage au dtergent doit tre calcule avec soin pour
obtenir leffet nettoyant optimal. On devra prendre en compte simultanment le prix du
dtergent, le cot de llectricit, du chauffage, de leau et de la main-doeuvre. Il ne suffit
pas de rincer un systme de tuyauteries laide dune solution dtergente. Le dtergent doit
circuler suffisamment longtemps pour dissoudre les souillures. Ainsi le temps ncessaire
dpend de lpaisseur des dpts et de la temprature de la solution dtergente.
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La temprature : Comme toute raction chimique, une augmentation de la
temprature a pour consquence une augmentation de la vitesse de raction (loi dArrhenius).
Llvation de la temprature a galement un rle dans labaissement de la tension
superficielle, la solubilisation des graisses, la diminution de leur viscosit et laugmentation
de la turbulence (agitation dsordonne) qui atteint son maximum lbullition.
Laction mcanique : Cette action permet daugmenter et de faciliter le contact
entre les impurets et la solution dtergente. Cette action mcanique peut tre provoque par
laugmentation de la turbulence dans les canalisations, lagitation des pices nettoyer ou la
pression exerce (action manuelle, nettoyeur haute pression). Dune manire gnrale,
laction mcanique tend augmenter la vitesse dcoulement, rduisant ainsi lpaisseur de la
couche limite et amliorant le transfert de dtergent (nettoyant) jusqu la souillure mais
galement tend augmenter la contrainte de cisaillement exerce par la solution sur la
souillure.
Laction physico-chimique (concentration) : Tout dtergent possde une
concentration optimale dutilisation, dtermine lors dessais par le fournisseur. Une fausse
ide reue serait de dire que plus le dtergent est concentr, plus il est efficace. En effet au
dessus dune certaine concentration, des difficults de rinage peuvent tre observes, des
traces peuvent subsister et une toxicit tant pour loprateur que pour lenvironnement peut
apparatre. En rgle gnrale, les dtergents sont utiliss une concentration de 2 5%.
Ces paramtres peuvent tre rsums de la manire suivante :
Figure 2:Cercle de Sinner [5]
La combinaison de ces quatre facteurs peut tre variable. Cependant toute diminution
dun ou plusieurs facteurs doit tre compense par une augmentation des autres facteurs afin
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dobtenir une efficacit similaire. Dune manire synthtique, nous pouvons dire que la
constante de nettoyage est fonction de :
- Dune part, la nature de limpuret et de la nature et ltat du matriel sur lequel le
dpt sest effectu.
- Dautre part, la concentration en dtergent, la temprature et laction mcanique
exerce.
1.1.5. Dtergents et nettoyage
Le plus souvent, les procdures de nettoyage font intervenir un ou plusieurs dtergents
afin dobtenir une surface propre. Les dtergents sont des combinaisons de composs
chimiques qui permettent de dbarrasser une surface de sa souillure.
Il arrive tout souvent dutiliser leau comme agent de nettoyage, ou tout du moins
comme solvant majoritaire lors des procds de nettoyage. Leau, employe seule, a de
nombreux avantages, comme son trs faible cot, sa non toxicit vis vis des oprateurs et de
lenvironnement. Cependant afin doptimiser et amliorer le nettoyage, des adjuvants tels que
les dtergents sont ajouts leau pour faciliter llimination des salissures.
Ces dtergents sont ajouts leau et utiliss pour leurs proprits ou leurs pouvoirs :
Mouillant : abaissement de la tension superficielle, effet de pntration.
Solubilisant : mise en solution des rsidus hydrosolubles.
Emulsifiant : mise en mulsion des corps gras.
Dispersant et squestrant : mise en suspension des matires solides (poussires,
fibres, tartres).
Lutilisation de dtergents dans lindustrie agro-alimentaire possde nanmoins des
dsavantages. En utilisant ces produits, de nouveaux composs chimiques, source de
contamination, sont introduites dans le matriel, rappelons que la finalit du nettoyage est
llimination des rsidus. Ces produits engendrent aussi un surcot au niveau du procd qui
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ne doit pas tre nglig. Ainsi lajout de dtergent ne doit tre fait que lorsque celui-ci est
strictement ncessaire.
1.1.5.1 Composition des dtergents
La majorit des dtergents sont base de deux catgories de produits (figure 3) :
Des sels minraux (alcalins ou acides)
Des constituants organiques (tensioactif, dispersant, squestrant)
Figure 3: Composition des dtergents [1]
1.1.5.2. Classification des dtergents
Il existe deux grandes catgories de dtergents :
1.1.5.2.1. Les dtergents alcalins
Ces dtergents sont les plus utiliss dans lindustrie ; 80% des nettoyages sont effectus
avec ces dtergents. Ils agissent par solubilisation et dsagrgation des souillures. Le milieu
alcalin permet la formation danions partir de rsidus de graisse. Lemploi de ce type de
dtergent permet un nettoyage rapide combin une action dsinfectante.
Deux sous-catgories de dtergents alcalins coexistent, en fonction de la source
dalcalinit :
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Les dtergents forts , produits extrmement caustiques (soude caustique), rservs
au nettoyage automatique compte tenu du risque important pour le personnel.
Les dtergents faibles , beaucoup moins caustiques et pouvant tre utiliss lors du
nettoyage manuel.
Ils sont utiliss pour liminer les rsidus de graisses, huiles ou protines.
1.1.5.2.2. Les dtergents acides
Ces dtergents provoquent la dissolution des dpts minraux et sont employs pour
nettoyer principalement linox. Leur utilisation est quasiment limite aux aciers inoxydables
et ncessite des prcautions particulires dutilisation concernant les concentrations et les
tempratures utilises.
La source dacidit peut provenir dun acide organique (citrique, formique) ou
inorganique (sulfurique, phosphorique, nitrique). Ils sont utiliss pour liminer les rsidus
dorigine minrale ou aprs une tape de lavage par un dtergent alcalin, pour neutralisation.
1.1.5.3. Choix dun dtergent
Un dtergent doit avoir les qualits requises afin dobtenir un nettoyage efficace. La
composition chimique va influencer directement le choix du dtergent. Le dtergent doit
pouvoir rpondre aux critres suivants :
Nature et tat des souillures : organiques ou minrales, humides ou sches.
Nature du matriel ou du support : aucune altration du matriel ne doit avoir lieu.
Le maintien de lintgrit de la surface est le facteur critique (en particulier pour les
joints et appareils de mesure)
Qualit de leau utilise : une eau avec une duret leve ncessitera la prsence de
complexant. Une eau trop acide et agressive ncessitera des inhibiteurs de corrosion.
Mode de nettoyage : un nettoyage sans intervention manuelle permet dutiliser des
produits plus concentrs sans danger.
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Toxicit : un dtergent doit tre le moins toxique possible pour le personnel mais
galement le plus respectueux possible de lenvironnement.
Lefficacit du dtergent : il faut viter au maximum de multiplier les tapes de
nettoyage. Un dtergent devra avoir un bon pouvoir mouillant, mulsionnant. Il devra tre
stable des tempratures leves. Son rinage et son limination devront tre aiss.
Dtectable : un bon dtergent doit pouvoir tre dosable de faibles concentrations. Ce
paramtre est requis dans le cas de la validation du nettoyage.
Le choix dun produit dtergent est donc critique et conditionne le rsultat aprs le
procd de nettoyage (Figure 4). Il est important de dterminer la nature des rsidus
nettoyer mais galement dadapter le type de nettoyage.
Figure 4: Choix du dtergent [5]
1.1.5.4. Nettoyage automatique
Le nettoyage automatique ne requiert aucune intervention humaine. Il est entirement
automatis. Gnralement, ce type de nettoyage est appel au nettoyage en place (NEP) ou
CIP (Clean In Place).
Ce procd ne requiert aucun dmontage pralable du matriel. Il est ralis soit par
aspersion, soit par circulation des fluides ou solvants. Lenchanement des oprations
seffectue dans des conditions prdtermines. Les fluides proviennent dune station de
nettoyage en place, pilote par un automate programmable. Ceci permet dassurer la
reproductibilit du nettoyage pour diffrent objet.
Bien que lintervention de loprateur soit rduite au minimum, il est primordial de
superviser le bon droulement du nettoyage notamment en contrlant les enregistrements
squentiels. Le dveloppement et la conception dun systme de NEP sont particulirement
adapts aux formes liquides ou semi liquides. Cependant, ce type de nettoyage ncessite des
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installations lourdes et coteuses et nest pas forcment adapt pour les industries ou ateliers
multi produits.
1.1.6. Circuits de NEP
On dtermine quels types de matriels peuvent tre nettoys dans le mme circuit,
partir des lments suivants :
Les dpts de rsidus de produits doivent tre de mme type, de manire pouvoir
utiliser les mmes dtergents et dsinfectants.
Le matriau des surfaces nettoyer doit tre le mme, ou tout au moins compatible
avec le mme dtergent ou dsinfectant.
Tous les lments du circuit doivent pouvoir tre nettoys en mme temps.
1.1.7. Matriaux compatibles et conception du systme
Pour assurer un NEP efficace, le matriel devra tre conu de manire sadapter un
circuit de nettoyage et tre en outre facile nettoyer. Toutes les surfaces devront tre
accessibles la solution dtergente. Il ne devra y avoir aucun cul de sac que le dtergent ne
peut atteindre ou travers lequel il ne peut scouler (Figure 5).
Les machines et tuyauteries devront tre installes de manire pouvoir tre vidanges
efficacement. Toutes les poches ou piges liquide do ne peut se vidanger leau rsiduelle
constitueront autant de lieux de prolifration rapide des bactries et entraneront un risque
important dinfection du produit.
Le matriel de traitement devra utiliser des matriaux du type acier inoxydable,
plastiques et lastomres, dont la qualit interdise toute transmission dodeur ou darme au
produit. Ces matriaux devront en outre pouvoir supporter le contact avec les dtergents et
dsinfectants aux tempratures de nettoyage.
Il pourra ventuellement se produire, dans certains cas, une attaque chimique des
surfaces des tuyaux et quipements, qui contamineront le produit. Cuivre, laiton et tain sont
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sensibles aux acides et aux alcalis forts. Des traces de cuivre, mme infimes, dans le produit
lui donnent un got doxydation (got huileux, dhuile de baleine).
Ainsi, lacier inoxydable constitue le matriau universel utilis pour les surfaces en
contact avec le produit. La contamination mtallique ne reprsente donc pas habituellement
un problme. Lacier inoxydable peut cependant tre attaqu par des solutions chlores.
La corrosion lectrolytique est frquente lorsque des lments en cuivre ou en laiton
sont incorpors des systmes en acier inoxydable. Le risque de contamination est important,
dans ces conditions. Il peut galement se produire une corrosion lectrolytique si un systme
contenant des aciers de diffrentes qualits est nettoy laide dagents cationiques.
Les lastomres (par exemple les joints en caoutchouc) peuvent tre attaqus par le
chlore et les agents oxydants, qui les noircissent ou les fissurent, librant ainsi dans le produit
des particules de caoutchouc. De ce fait, diffrents types de plastiques utiliss dans les
matriels de traitement peuvent entraner un risque de contamination. Certains de leurs
constituants peuvent tre dissous par les solutions dtergentes.
Figure 5: Exemple de cul de sac [5]
1.2. Description de linstallation de nettoyage NEP
Comme chez toutes les entreprises de production dagroalimentaire et de boissons, les
aspects sanitaires dans la Socit des Emballages et Boissons Gazeuses Bouargoub
(SEABG), ont une extrme importance puisque lentreprise doit respecter les normes
d'hygine pour viter la dgradation et de contamination des produits pendant le
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fonctionnement des machines. Le nettoyage doit tre effectu rapidement et minutieusement.
Les meilleures conditions de nettoyage se rencontrent avec le systme de nettoyage en place.
1.2.1. Les cinq tapes du systme NEP
A fin de raliser un nettoyage convenable aux raisons sanitaires dj dveloppes, on
procde comme suit :
1- Rinage leau traite pour liminer les rsidus.
2- Passage dune solution alcalines (soude caustique): les dtergents alcalins dissolvent
les graisses et les protines, et nettoient les dpts qui sont difficiles enlever.
3- Rinage intermdiaire l'eau traite.
4- Passage dune solution acide (ou eau chaude) qui sert neutraliser les restes
caustiques sur les surfaces de contacts. Les dtergents acides enlvent les dpts minraux
dans les circuits.
5- Rinage final l'eau froide traite qui enlve les rsidus acides
1.2.2. Les objets nettoyer
Linstallation NEP concevoir au sein de la socit SEABG permet actuellement de
faire un nettoyage en place des objets suivant :
Une station comportant cinq tanks (rservoir) de bire dcrit comme suit :
Deux tanks de volume 38 000 l quips de sondes de niveau et soumises sous
pressions (CO2) de 1.5 bar lors du transfert de la bire vers les deux soutireuses.
Trois tanks de volume 50 000 l quips de sondes de niveau et par une
procdure de rglage de pression.
Une grille de vanne double sige qui contrle le parcours de la bire et des
produits de nettoyage (eau, dtergent, dsinfectant).
Les deux lignes de production SASIB1 et SASIB2.
Les deux stations dalimentation de la bire.
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1.2.3. Linstallation CIP actuelle
Actuellement lunit de nettoyage de CIP ne comporte que deux tanks :
- Le premier est utilis pour la prparation de la solution de soude
caustique.
- Le deuxime est utilis pour le dosage du volume deau froide de
rinage puis pour la prparation de la solution acide.
Cette unit dispose dune pompe qui assure le transfert deau ou du dtergent vers
lobjet nettoyer et dun changeur tubulaire qui gre la temprature.
Figure 6: Systme simple (circuit ouvert) [6]
Vue quactuellement, lors dun cycle de nettoyage, la circulation du dtergent ou le
rinage avec leau se fait en circuit ouvert c'est--dire leau ou la solution du dtergent est
rejete aprs une seule utilisation (Figure 6) cela implique :
gaspillage deau et des dtergents: pour le nettoyage dun tank (TBF) on utilise
actuellement, en se basant sur le plan de nettoyage hebdomadaire des TBF,
30000 l deau.
augmentation du cot de nettoyage par suite le cot de production.
influences ngatifs touchant lenvironnement : pollution par le rejet de produit
toxique tel que la soude caustique
A cela sajoute que la prparation des cuves se fait dune manire manuelle, louvrier
responsable ne dispose que dun thermomtre plac dans le cuve isole et dun manomtre
pour observer la pression. Puisque toutes les vannes sont commandes manuellement, alors
lefficacit de lopration de nettoyage dpend intgralement de lexprience de louvrier.
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En consquence le temps du cycle de nettoyage dun objet est lev du fait que tout se
fait dune manire manuelle. Ainsi le respect des exigences de nettoyage quon a dvelopp
(la concentration et la temprature de dtergent, le temps de contact ) ne sera pas garanti. A
cela sajoute le danger auquel est dispos louvrier vu quil sera en contact direct avec des
produits toxiques haute temprature (soude, acide).
Do la ncessit de linstallation dune unit de nettoyage en place contrle
automatiquement dont les squences de nettoyage sont programmes pour un temps optimal
et un nettoyage efficace.
1.2.4. Linstallation CIP prvue
Afin de remdier aux inconvenions de linstallation CIP actuelle, lentreprise envisage
les modifications suivantes
La nouvelle unit CIP comportera quatre tanks de volume 5 000 l au lieu de
deux :
Une cuve pour la solution soude caustique.
Un cuve pour la solution dacide.
Un cuve deau pour le rinage.
Un cuve deau chaude.
La solution de nettoyage est recycle une fois utilise cela implique
limplmentation dune canalisation qui boucle le circuit du dtergent. La
prparation de la cuve deviendra automatique et loprateur pourra choisir les
squences de nettoyage programmes convenables pour lobjet nettoyer avec
un temps optimal (Figure 7)
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Figure 7: Systme recyclage de dtergent [6]
Comme pour tous systme, le systme NEP prvue prsente des avantages et des
inconvnients :
Avantages :
Rduction du temps de nettoyage.
Amlioration de lefficacit de nettoyage (les systmes automatiss nettoient et
dsinfectent plus efficacement et uniformment que le nettoyage manuel).
Conservation de la solution de nettoyage.
Amlioration du temps d'utilisation de l'quipement.
Amlioration de la scurit alimentaire
Optimisation de l'utilisation de l'eau et du dtergent.
Accs aux aires difficiles nettoyer.
Inconvnients :
Installation : l'optimisation des programmes de nettoyage doit tre effectue
par des personnes qualifies (coteuse).
Maintenance : la pression et le dbit des produits chimiques de nettoyage
travers le systme doivent tre mesurs galement il est ncessaire de vrifier
rgulirement que ces lments sont appliqus uniformment et sans
interruption.
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1.3. Conception de linstallation de N.E.P
Une tude prliminaire dtaille du fonctionnement de linstallation ainsi que la
dtermination de ces modules dentres et sorties et de ses exigences en matire de scurit,
nous permet de bien comprendre les mcanismes du processus. Ceci nous facilitera la tche de
programmation de lautomate et limitera les surprises lors de la ralisation des tests sur le
processus industriel rel.
Dans cette partie, nous commenons par prsenter linstallation de la centrale de
nettoyage en place propose par la socit SEABG, ensuite nous procdons la conception
dune solution automatise tout en dcrivant les diffrentes zones fonctionnelles de
linstallation et en dterminant les exigences en matire de scurit.
1.3.1. Prsentation de linstallation
La Figure 8 reprsente le schma de linstallation de la centrale de nettoyage en place
tudier. Cette installation comprend :
Une cuve pour la prparation de la solution soude caustique
Un rservoir de soude (caille)
Un changeur thermique tubulaire
Une table de pontage reli lunit de traitement deau
Des vannes monostables et des accessoires ncessaires pour le bon
fonctionnement du processus.
Une pompe de pression et une pompe doseuse.
Des instruments de mesure (manomtre, thermocouple, conductimtre
thermomtre)
Des capteurs tout ou rien (sondes de niveaux, dtecteur de proximit,
dtecteur de dbit)
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Figure 8: Schma de la centrale CIP
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1.3.2. Conception d'une solution d'automatisation
Puisque la procdure de nettoyage en place fait appelle des produits toxiques (soude
caustique, acide ) dangereux pour lhomme et que cest une opration coteuse, son
automatisation permet de rpondre deux types de critres :
- Critre conomique : augmenter la productivit, amliorer la qualit et diminuer
les cot de production.
- Critre humains : amliorer les conditions de travail, accrotre la scurit,
supprimer les tches pnibles et rptitives.
Pour lautomatisation de notre systme nous avons adopt lapproche de la Figure 9.
Figure 9: Etape de conception d'une solution automatis
1.3.2.1. Subdivision du processus
Un processus dautomatisation est constitu de diffrentes tches. Il est possible donc de
dfinir des zones cohrentes au sein du processus et de subdiviser ces dernires en tches
partielles plus petites. Dans cette partie nous allons structurer notre processus en zones
fonctionnelles et en tche lmentaires.
Comme chaque zone est son tour subdivise en tches plus petites, les tches
ncessaires pour commander la partie correspondante du processus ne sont pas trs
complexes.
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La centrale de nettoyage en place peut tre subdivise en cinq zones (Tableau I)
Rservoir de soude concentr
Alimentation deau
Cuve soude
Echangeur
Circuit dtergent
Tableau I: Subdivision du processus
Zone
fonctionnelle
Equipement associ
Rservoir de soude
concentr
- pompe doseuse pour lalimentation en soude (P1) quip
dune crpine daspiration.
- crpine DN65 pour la protection de la pompe doseuse (C1)
- sonde de niveau (LS3)
Alimentation deau - vanne papillon automatique dalimentation deau (V8)
- dtecteur de position (DP1)
- vanne papillon automatique pour le rinage de la cuve (V10)
- vanne papillon automatique pour lalimentation deau de
rinage (V9)
Cuve soude - cuve verticale isole quipe dune boule de lavage avec un
trou dhomme suprieur 400 mm
- sonde de niveau haut (LS1)
- sonde de niveau bas (LS2)
- thermomtre (TI1)
- vanne papillon manuelle chappement cuve DN65 (V11)
- vanne papillon automatique pour la vidange de la cuve (V1)
- vanne papillon automatique dadmission dtergent (V7)
Echangeur - Vanne manuelle papillon DN80 (V12)
- Filtre Y DN80 (F1)
- Vanne rducteur de pression DN65 (V13)
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- Vanne modulante pour la rgulation de pression DN65
(VM1)
- Indicateur transmetteur de temprature de type PT100 (TIC1)
- Echangeur thermique tubulaire
- Systme condenst DN40
Circuit du dtergent - pompe de pression CIP (P2)
- sonde de niveau (LS4)
- clapet anti-retour pour la protection de la pompe P2 (C2)
- manomtre membrane sanitaire (PI)
- vanne modulante la sortie dchangeur pour le contrle de
pression (VM2)
- deux vannes papillons automatiques DN65 action inverse
pour la dtermination du chemin du dtergent (V3 et V4)
- vanne papillon automatique DN65 retour dtergent (V5)
- vanne papillon automatique DN65 pour lchappement
dtergent (V6)
- clapet anti-retour retour CIP (C3)
- indicateur de temprature (TI2)
- transmetteur de conductivit (TC1)
- indicateur de dbit de type sanitaire (FS1)
1.3.2.2. Description des diffrentes zones fonctionnelles
La description de chaque zone et de chaque tche du processus de NEP permet de
dfinir non seulement le fonctionnement de chaque zone, mais galement les diffrents
lments de commande associs, savoir :
les entres et les sorties logiques pour chaque tche
les verrouillages et les relations de dpendance entre les diffrentes tches
La centrale de nettoyage en place fait appel des pompes, des vannes automatiques et
des vannes modulantes. Il faut dcrire chacune de ces lments prcisment afin d'identifier
leurs caractristiques de fonctionnement et le type des verrouillages ncessaires pendant
-
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l'exploitation. Les tableaux suivants fournissent des modles de description de l'quipement
utilis.
Tableau II: Moteur de la pompe doseuse
Rservoir de soude concentr : moteur de la pompe doseuse P1
1. la pompe doseuse [6] amne la soude caustique, sous forme liquide, du rservoir vers
la cuve o elle est mlange avec de leau. Les caractristiques de cette pompe sont :
o dbit : 50l / h
o pression : 10 bar
2. Le dmarrage et larrt de la pompe sont commands :
- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le grafcet dfinir
ultrieurement ; pendant le cycle prparation tank soude caustique .
- Par le pupitre de commande en mode manuel.
3. Les conditions de validation sont les suivantes:
- Le rservoir du soude caustique nest pas vide (LS3)
- lors de la prparation du tank de la soude, la conductivit qui circule en circuit ferm
est infrieure 300 ms/cm3
- larrt durgence nest pas activ.
- une alarme de niveau arrt durgence nest pas active.
4. les conditions darrt sont les suivantes :
- la sonde de niveau bas indique que le rservoir est vide pendant le fonctionnement
- la solution de soude qui circule atteint la conductivit dsire (soude_prte)
- le systme signale une alarme qui ncessite larrt de toutes les pompes.
-
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Tableau III: Vannes d'alimentation d'eau
Alimentation deau : vannes dalimentation deau
1. Les vannes d'alimentation V8 et V10 permettent ou empchent l'arrive de leau au
cuve_soude. Ces vannes comportent un commutateur magntique avec rappel ressort ;
o La vanne est ouverte lorsque le commutateur magntique est activ.
o La vanne est ferme lorsque le commutateur magntique est dsactiv.
2. Les vannes dalimentation deau sont commandes :
- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le grafcet dfinir
ultrieurement ; pendant le cycle prparation tank soude caustique pour la vanne
V8 et pendant le cycle rinage cuve soude caustique pour la vanne V10.
- Par le pupitre de commande en mode manuel.
3. Les conditions de validation sont les suivantes :
pour la vanne V8 :
- la cuve nest pas pleine.
- Le capteur de proximit (DP1) signale la connexion de la cuve la source deau
(table de pontage)
- La vanne de vidange V1 est ferme
- Larrt durgence nest pas activ
pour la vanne V10
- la vanne de vidange V1 ou la vanne dchappement V11 est ouverte
- la sonde de niveau bas (LS2) signale cuve vide
- larrt durgence nest pas activ
4. Les conditions darrt sont les suivantes :
pour la vanne V8
- la sonde de niveau LS1 signale cuve pleine
-
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- le capteur de proximit (DP1) signale la dconnexion au rseau dalimentation deau
au niveau de la table de pontage.
pour la vanne V10
- le temps de rinage fix par loprateur est coul.
Tableau IV: Les vannes du circuit du dtergent
Cuve soude et circuit du dtergent : les vannes automatiques
1-
Louverture des vannes V1, VM2, V4 et V7 successivement, assure la circulation de
leau (lors du cycle rinage cuve_soude ) ou de la solution soude caustique (lors
du cycle prparation soude_caustique) dans un circuit ferm.
Louverture des vannes V1, VM2, V3, V5 et V7 successivement, assure la circulation
de la solution basique (dtergent) de la cuve vers lobjet nettoyer.
Louverture des vannes V1, VM2, V4 et V6 successivement, assure la circulation de
leau de rinage de la cuve soude, travers le circuit ferm de linstallation vers un
gout.
Louverture des vannes V9, VM2, V3, V5 et V6 successivement, assure la circulation
de leau de rinage vers lobjet nettoyer puis sa sortie par lgout via la vanne V6.
Les vannes V1, V3, V4, V5, V6, V7 et V9 comportent un commutateur magntique avec
rappel ressort ;
o La vanne est ouverte lorsque le commutateur magntique est activ.
o La vanne est ferme lorsque le commutateur magntique est dsactiv
La vanne VM2 subit un rglage mcanique permettant le contrle du dbit sa sortie. Un
signale 4-20 mA permet louverture ou la fermeture de la vanne modulante.
-
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2- Le dmarrage et larrt de ces sont commands :
- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le grafcet dfinir
ultrieurement.
- Par le pupitre de commande en mode manuelle.
3- Les conditions de validation sont les suivantes :
pour la vanne V6
- la conductivit de soude est infrieur la consigne lors de la circulation de la solution
soude entre le cuve_soude et lobjet nettoyer.
Pour la vanne V1
- La sonde de niveau (LS2) ne signale pas cuve vide
- Larrt durgence nest pas activ
pour la vanne V3
- la vanne V4 est ferme
- lobjet est prt pour un cycle CIP
- larrt durgence nest pas activ
pour la vanne V4
- les vannes V3 et V5 sont fermes.
- larrt durgence nest pas activ
pour les vannes V5, VM2, V7 et V9
- larrt durgence nest pas activ
4- la condition darrt de ces vannes est la suivante :
- leau ou la soude circule dans un circuit ferm ou ouvert alors que le dtecteur de dbit
FS1 ou la sonde LS4 ne signale rien durant 6 secondes .
-
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Tableau V: Pompe CIP_Pression
Circuit du dtergent : moteur de la pompe CIP_pression (P2)
1- La pompe CIP_pression permet la circulation de leau ou de la soude dans un circuit
ferm ou ouvert en amliorant la force de contact.
- capacit 35 m3/h
- pression 4 bar
- moteur 11 kW
- variateur de frquence
2- Le dmarrage et larrt de ces sont commands :
- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le Grafcet
dfinir ultrieurement.
- Par le pupitre de commande en mode manuelle
3- les conditions de validation sont les suivantes:
larrt durgence nest pas activ
la sonde de niveau LS4 signale la prsence dun produit pendant 6s
le dtecteur de dbit FS1 signale que le dbit nest pas nul 20s, au maximum, aprs la
mise en marche de la pompe.
La vanne V1 ou V9 est ouverte.
4- les conditions darrt sont les suivantes :
la sonde de niveau LS4 ne signale rien durant 6s pendant le fonctionnement de la
pompe
Le capteur de dbit FS1 ne signale pas que le rgime nominal est atteint au plus tard
20 secondes aprs le dclenchement du moteur de la pompe.
-
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Tableau VI: Vanne modulante VM1
Echangeur : vanne modulante VM1
la vanne modulante VM1 permet le contrle de la pression du vapeur venant de la
chaudire. Lautomate contrle le pourcentage douverture de la vanne modulante
VM1 par un signale lectrique qui varie entre 4 et 20 mA, qui sera convertie en
pression proportionnel grce un transducteur courant-pression.
- Les caractristiques du vapeur sont :
pression darriv de la chaudire : 8 bar
dbit : 620 Kg/h
retour condenst vers la chaudire : 620 Kg/h
le pourcentage douverture de la vanne sera contrl par un rgulateur PID dont les
paramtres seront prciss ultrieurement.
Si la temprature est infrieure la consigne alors la vanne sera ouverte.
le transmetteur de temprature TIC1, plac la sortie de lchangeur signale la valeur
de temprature de la solution ; cette valeur sera utilise lentre du rgulateur et
compare avec la consigne.
4- les caractristiques de lchangeur de temprature tubulaire horizontale [4],[5] seront
dveloppes dans le chapitre 2.
1.3.3. Dfinition des exigences en matire de scurit
La centrale CIP concevoir fait appel la logique suivante pour son circuit de scurit
(Figure 10) :
Un commutateur d'arrt d'urgence arrte les appareils suivants
indpendamment via l'automate programmable :
o Pompe d'alimentation CIP_Pression (P2)
o Pompe doseuse P2
o Les Vannes dalimentation deau
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Figure 10: Pupitre de commande
Conclusion
Ce chapitre nous a permis de dfinir le terme nettoyage en place et dapporter les
claircissements ncessaires aux paramtres assurant le bon droulement de la procdure de
nettoyage savoir la concentration, la temprature et le temps de contact du dtergent. En
plus, il nous a permis de dcrire linstallation de nettoyage en place tout en dfinissant les
exigences en matire de scurit.
Cette tude nous a t bnfique afin de pouvoir identifier les diffrentes zones
fonctionnelles et dterminer les besoins matriels.
Par ailleurs, nous estimons qu ce stade, il est difficile dentamer la programmation de
notre systme sans faire une reprsentation graphique du fonctionnement qui tient compte de
la gestion des modes de marche et darrt. Cette tude fera lobjet du deuxime chapitre.
-
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CHAPITRE II :
Conception et spcification de
lautomatisation du processus CIP
-
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Introduction :
Une bonne spcification du fonctionnement dun systme tout en prenant compte de
toutes ses contraintes savoir le dmarrage, les arrts (les modes de marches et darrt),
lenchanement des actions (ouverture / fermeture vanne, rgulation de temprature) ainsi
que ses relations avec son environnement (loprateur, les capteurs, les actionneurs.) est
indispensable pour limplmentation de sa commande.
Pour cela, nous proposons dutiliser le GRAFCET, afin de dcrire correctement la
commande de notre systme.
Par ailleurs, lors de ltude dun systme automatis, le concepteur a besoin dune
approche guide systmatique, du genre check list (liste de vrification) pour tout prvoir
ds ltude et envisager les consquences, tant pour la partie oprative que pour la partie
commande du systme raliser do lutilit du guide graphique Gemma.
Pour ces raisons, ce chapitre est consacr la ralisation dune reprsentation Grafcet
puis GEMMA de la commande du systme.
2.1. Conception de lautomatisation
Une reprsentation Grafcet exprimant lvolution des diffrentes tapes de la CIP
(prparation du tank soude caustique, rinage, injection de la solution soude caustique) en
interaction avec son environnement (ordres de marches/arrts, compte rendu de la partie
oprative) sera prsente dans ce qui suit en se basant sur :
- Les instructions du cahier des charges concernant le fonctionnement du processus de
nettoyage en place accomplir.
- La conception physique de linstallation prsente dans le chapitre prcdant.
- Les proprits du modle Grafcet.
-
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2.1.1. Grafcet fonctionnel
2.1.1.1. Identification des entres-sorties du Grafcet 1
Lors de l'tablissement du Grafcet de spcification, on utilise des noms explicites pour
les entres du systme modlis ainsi que pour les sorties (les actions ou ordres mis vers la
partie oprative mais aussi les visualisations vers l'oprateur). Lors du passage au Grafcet de
ralisation, on utilise plutt des noms logiques pour les entres/sorties du systme.
Par convention, les entres seront ranges dans un vecteur (le vecteur d'entre) et
nommes Ei o i est le rang de l'entre considre dans le vecteur d'entre. De mme les
sorties seront ranges dans un vecteur (le vecteur de sortie) et nommes Si o i est le rang de
la sortie considr dans le vecteur de sortie.
Par la suite on utilisera ces notations Ei et Si afin de dsigner les entres et les sorties de
la partie commande pour des commodits d'criture. La Figure11 montre un exemple de
nommage symbolique des entres/sorties pour le Grafcet fonctionnel principale de la
procdure de nettoyage en place automatiser (Grafcet 1).
Figure 11: Nommage symbolique des entres/sorties
-
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La nomenclature de la Grafcet fonctionnel principal (Grafcet1) sera reprsente dans le
tableau suivant :
Tableau VII: Les entres sortie du Grafcet principale Variable Source Commentaire
OP27_demande_cycle Pupitre de commande Demande de commencer un cycle Ord_cycle_rin_cuve Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de
rinage de la cuve soude. Ord_prp_soude Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de
prparation de la cuve soude. Ord_cycle_rin_souti Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de
rinage de la soutireuse. Ord_cycle_CIP Pupitre de commande Demande de commencer un cycle
CIP complet de la soutireuse. Eau_disp Unit de traitement deau Eau disponible dans lunit de
traitement deau. Vapeur_disp Chaudire Vapeur disponible dans la chaudire Soutireuse_prte Soutireuse Soutireuse prte pour un cycle CIP Soude_prte Bit interne de lautomate La soude dans la cuve correspondant
est prte pour lutilisation. Fin_rin_cuve_soude Bit interne de lautomate Achvement du cycle rinage cuve
soude Fin_prp_cuve_soude Bit interne de lautomate Achvement du cycle prparation
cuve soude Fin_rin_souti Bit interne de lautomate Achvement du cycle rinage
soutireuse Fin_cycle_CIP Bit interne de lautomate Achvement du cycle CIP complet
pour la soutireuse Demande_eau Bit interne de lautomate Demande deau par lautomate
lunit de traitement deau. Demande_vapeur Bit interne de lautomate Demande de vapeur par lautomate
la chaudire. Demande_auto_souti Bit interne de lautomate Demande si la soutireuse est prte
pour un cycle CIP Rin_cuve_soude Bit interne de lautomate Rinage de la cuve _soude en cours Prparation_cuve_soude Bit interne de lautomate Prparation de la cuve _soude en
cours Rin_souti Bit interne de lautomate Rinage de la soutireuse en cours Cycle_CIP Bit interne de lautomate Cycle CIP complet de la soutireuse
en cours
2.1.1.2. Grafcets
2.1.1.2.1. Grafcet principal
Daprs le cahier de charge, le Grafcet principale construire doit remplir les conditions
suivantes :
-
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- donner la possibilit deffectuer les cycles suivants :
cycle de prparation du tank soude caustique
cycle de rinage de la cuve contenant la solution soude caustique
cycle de rinage de la soutireuse (objet nettoyer)
cycle NEP (premier rinage, une injection de la solution basique, un second
rinage)
- potentialit de dtecter la disponibilit des nergies intervenant lors de
lexcution des tches accomplir savoir la chaudire et lunit dalimentation de
leau de rinage :
demande eau / eau disponible
demande vapeur / vapeur disponible
- possibilit de communiquer avec lobjet nettoyer (exemple : la soutireuse,
tank vide)
demande autorisation soutireuse
soutireuse prte
soutireuse en mode automatique
- Ordonnancement des demandes selon leurs priorits : titre dexemple la
demande_eau doit tre commande en premier lieu puisquelle est primordiale pour
tous les cycles proposs prcdemment alors que la demande_soutireuse est effectue
en dernier lieu car elle nest ncessaire que pour les cycles rinage_soutireuse et
cycle_CIP
- communication avec le pupitre de contrle-commande (OP27)
Choix du cycle
Choix du mode (mode automatique ou manuelle)
Le Grafcet suivant reprsente le Grafcet fonctionnel du cahier de charge.
-
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Grafcet 1: Grafcet fonctionnel du systme de nettoyage en place (cahier de charge)
Prparation_cuve_soude
Eau_disp . Ord_cycle_rinc_cuve
Ord_cycle_CIP . Soude_prte
Ord_prp_soude
Vapeur_disp
Eau_disp . Ord_cycle_rinc_cuve
1
0
OP27_demande_cycle
3
4
Dpart
Demande_eau
Demande_vapeur
Demande_choix_cycle Fin_rinc_cuve_soude
Rincage_cuve_soude
Soutireuse_prte
6
7
Demande_autor_sout
Demande_choix_cycle Fin_prp_cuve_soude. Soude_prte
Ord_prp_soude
Fin _rinage_souti
Ord_cycle_rinage_souti
Rinage_souti
Fin_cycle_cip
Cycle_cip
1
M2
0
4
M5
0
7
M8
0
7
M9
0
-
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2.1.1.2.2. Macro-tape cycle_CIP
La Macro-tape M9 (Grafcet 2) contient les diffrentes tapes du cycle du nettoyage en
place auquel on sest limit, savoir :
- un premier rinage
- un nettoyage avec la soude caustique (solution basique)
- un deuxime rinage
Grafcet 2: Macro-tape M9 (cycle_CIP)
* Les actions de chaque une des tapes du nettoyage seront dtailles par la suite dans les Macro-tapes correspondantes.
1
1
Rinage_souti
Injec_soude_caustique
Fin_inj_soude . Dbut_2errinage_souti
Fin_2errinage_souti
Fin_1errinage_souti . Dbut_injec_soude
91
dbut_1errinage_souti
M7
Rinage_souti
M8
M8
95 Fin_2errinage_souti
Dbut_cycle_CIP
E90
S95
-
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2.1.2. Grafcet oprationnel
2.1.2.1. Identification des entres / sorties
Les entres
Tableau VIII: Identification des entres Nom commentaire
LS1 Sonde de niveau haut cuve_soude
LS2 Sonde de niveau bas cuve_soude
LS3 Sonde de niveau bas rservoir_soude
LS4 Sonde de niveau haut plac dans le circuit du NEP
DP1 Dtecteur de proximit plac dans la table de pontage deau.
FS1 Dtecteur de dbit.
Temp_dfav La temprature de la soude est infrieure la consigne de loprateur.
Temp_fav La temprature de la soude est conforme avec la consigne de loprateur.
Conc_dfav La conductivit de la soude est infrieure la consigne de loprateur.
Conc_fav La conductivit de la soude est conforme avec la consigne de loprateur.
Dbut_cycle_rinage_cuve Dpart cycle de rinage de la cuve de soude.
Dbut_cycle_prp_cuve_soude Dpart cycle de prparation de la cuve de soude caustique.
Ord_cycle_rinage_souti Dpart cycle de rinage soutireuse (ou tank vide)
Ord_1r rinage_souti Dpart 1r rinage du cycle CIP.
Ord_2me rinage_souti Dpart 2me rinage du cycle CIP.
Dbut_injec_soude Dpart nettoyage avec la soude.
Les sorties
Tableau IX: Identification des sorties Nom commentaire
V1+ Ouverture de la vanne V1
V1- Fermeture de la vanne V1
VM2+ Ouverture total de la vanne modulante VM2
VM2- Fermeture total de la vanne modulante VM2
V3+ Ouverture de la vanne V3
-
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V3- Fermeture de la vanne V3
V4+ Ouverture de la vanne V4
V4- Fermeture de la vanne V4
V5+ Ouverture de la vanne V5
V5- Fermeture de la vanne V5
V6+ Ouverture de la vanne V6
V6- Fermeture de la vanne V6
V7+ Ouverture de la vanne V7
V7- Fermeture de la vanne V7
V8+ Ouverture de la vanne V8
V8- Fermeture de la vanne V8
V9+ Ouverture de la vanne V9
V9- Fermeture de la vanne V9
V10+ Ouverture de la vanne V10
V10- Fermeture de la vanne V10
KM2+ Fermeture du contact du moteur associ la pompe P2.
KM2- Ouverture du contact du moteur associ la pompe P2.
Soude_prte Le tank soude caustique est prt (temprature et
concentration de la soude sont adquat avec les consignes)
Etat_rinage_cuve Rinage cuve soude en cours
Fin_rinage_cuve_soude Fin rinage cuve soude
Etat_prp_cuve_soude Prparation cuve soude en cours
Fin_ prp_cuve_soude Fin prparation cuve soude
Etat_cycle_rin Cycle rinage de la soutireuse en cours
Fin_cycle_rin Fin cycle rinage de la soutireuse
Etat_1rrin Premier rinage de la soutireuse en cours
Fin_1rrin Achvement du premier rinage
Etat_2merin Second rinage en cours
Fin_2merin Achvement du second rinage
Etat_cycle_CIP Cycle CIP, complet, en cours
Fin_cycle_CIP Fin cycle CIP
Etat_injc_soude Nettoyage de la soutireuse en cours
Fin_inje_soude Achvement du nettoyage de la soutireuse avec la soude.
-
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2.1.2.2. Macro-tape rinage_cuve_soude :
La Macro-tape M2 (Grafcet 3) comprend les diffrentes actions ncessaires pour la
ralisation de la tche rinage_cuve_soude . Pour accomplir cette tche il faut passer par
les tapes suivantes :
- ouverture de la vanne dalimentation deau de rinage pour la cuve soude.
- circulation de leau dans un circuit ouvert fin dvacuer les impurets
existantes dans la cuve.
- circulation de leau dans un circuit ferm pour liminer les impurets que
renferme le ce circuit.
- Fermeture de la vanne dalimentation deau aprs coulement du temps de
rinage dfinie par loprateur.
- Evacuation de leau restant dans le circuit.
2.1.2.3. Macro-tape prparation_cuve_soude :
La Macro-tape M5 (Grafcet 4) comprend les actions ncessaires pour prparer une
solution de soude caustique dans une cuve de volume (5000 l) rpondant aux exigences de la
procdure de nettoyage en place de lobjet en question (temprature et concentration de la
soude).
Les diffrentes tapes sont :
- Remplir la cuve en eau (volume paramtre)
- Niveau haut couvert
- Activation pompe de mlange
- Ravitaillement de soude (quantit paramtre)
- Mesure de concentration (conductivit de paramtre ok)
- Chauffage de la solution eau / soude (temprature paramtre ok)
- Pousse de la solution eau / soude aprs chauffage
- Cuve prte pour la NEP.
En effet la Macro-tape M5 renferme elle-mme deux autre Macro-tape (M57 et M58)
qui ont pour rle la rgulation de temprature et la rgulation de la concentration. Les actions
de ces dernires seront dtailles dans ce qui suit.
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Grafcet 3: Macro-tape M2 (rinage_cuve_soude)
* Le temps allou pour le rinage de la cuve (temporisateur T 76) est dtermin par loprateur via le pupitre de commande (OP27)
FS1
T 76 / 7M / XE23 *
FS1 . T 75 / 3M / XE22
E20
Dbut_cycle_rinage_cuve
LS4
21
22
V1+ V10+ tat_rinage_cuve
KM2+ VM2+ V4+ V6+
23 V6- V7+
LS4
24 V1- V10- V6+ V7-
T 77 / 5S / XE25
25 KM2-
26
27
VM2- V4-
V6- tat_rinage_cuve fin_rinage_cuve_soude
S28
-
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Grafcet 4: Macro-tape M5 (prparation_cuve _soude) 1/2 1
Temp_fav
Conc_fav Conc_fav
Rgul_concentration *
Rgul_temprature *
Temp_dfav Conc_dfav Temp_dfav . Conc_dfav
FS1 . T 20 /7S / XE55
DP1
LS1 . LS2
E50
Dbut_cycle_prp_cuve_soude
DP1 . LS1
51
52
tat_prp_cuve_soude
53
LS4
54
KM2+ VM2+ V4+ V7+ 55
56
V8+
V8-
V1+
56
M57
61
56
M58
62
Temp_fav
59 60
61 62
-
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Grafcet 5: Macro-tape M5 (prparation_cuve _soude) 2/2
* Les Macro-tapes M57 et M58 reprsentent simultanment la rgulation de temprature et la rgulation de concentration et seront dtaille ultrieurement.
FS1
T 76 / 20S / XE61
63
LS4
V1-
T 29 / 5S / XE60
64
65
KM2-
66
67
VM2- V4-
V6+ V7-
V6+ Soude_prte tat_prp_cuve_soude Fin_prp_cuve_soude
S68
1
-
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2.1.2.4. Macro-tape rinage_soutireuse :
La macro-tape M8 (Grafcet 5) ou encore rinage_soutireuse dcrit les diffrentes actions
ncessaires pour la ralisation dun rinage correcte pour la soutireuse. Ces actions sont :
- ouverture de la source deau de rinage
- circulation de leau dans la soutireuse en circuit ouvert.
- Fermeture de source deau aprs coulement du temps de rinage prdfinis par
loprateur.
- Evacuation de leau restant dans le circuit
- Cder la main au cycle suivant.
2.1.2.5. Macro-tape injection_soude_caustique :
La Macro-tape M8 (Grafcet 6) ou encore injection_soude_caustique prsente les tapes
ncessaires pour laccomplissement du nettoyage la soude dans la soutireuse (objet a
nettoyer). Ces tapes sont :
- Activation de la pompe dinjection de la soude.
- Circulation de cette solution en circuit ferm entre le rservoir (cuve soude) et lobjet
nettoyer.
- Arrt de la pompe dinjection de la soude aprs lcoulement du temps dinjection
prdfinis par loprateur.
- Evacuation de la solution restante dans le circuit.
- Cder la main au cycle suivant.
-
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Automatisation dune centrale C.I.P 45
Grafcet 6: Macro-tape M8 (rinage_Soutireuse) 1/2
- cd1 = FS1 . Etat_cycle_rin . T 71/ 15M / XE82 * - cd2 = FS1 . Etat_1rrin . T 25 /15M / XE82 * - cd3 = FS1 . Etat_2rrin . T 70 /15M / XE82 * * Les temps allous pour le rinage de la soutireuse (temporisateur T 25; T 70 ; T 71) est dtermin par loprateur via le pupitre de contrle commande OP27
cd1 + cd2 + cd3
Ord_1rrinage_souti
Ord_1rrinage_souti
LS4
1 1 1
Ord_cycle_rinage_souti
T 26 /5S / XE84
E80
81
85 KM2+ V2M+ V3+ V5+ V6+
86
VM2- V3-
LS4
87
FS1 . T 27 / 10S / XE85
88
V9-
89 V5- V6-
Etat_cycle_rin
Etat_2rrin
83 82 Etat_1rrin
84 V9+
KM2-
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 46
Grafcet 7: Macro-tape M8 (rinage_Soutireuse) 1/2
1 1 1
Etat_1rrin Etat_2rrin
Etat_cycle_rin
886 Fin_cycle_rin
Etat_cycle_rin
Fin_2rrin
Etat_2rrin Fin_cycle_
cip
888 887 Fin_1rrin
Etat_1rrin
Dbut_injec_soude
S899
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 47
Grafcet 8: Macro-tape M9 (injec_soude_caustique)
* Le temps allou pour linjection de la solution soude caustique (temporisateur T 92) est dtermin par loprateur via le pupitre de contrle commande OP27
1
T 22 / 1M / XE95
Dbut_injec_soude
LS4
E70
72 KM2+ VM2+ V3+ V5+ V7+
76 V5- V6+ V7-
71 tat_injec_soude V1+
FS1 . T 21 /15M / XE92 *
T 77 / 5S / XE94
VM2- V3-
74
75
KM2-
73
LS4
V1-
FS1 . T 23 / 10S / XE96
S77 V6- Fin_injec_soude Soude_prte tat_injec_soude
S78
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 48
2.2. Etude du rgulateur PID de lchangeur
Pour amener la solution de soude caustique la temprature dsire lors du cycle
prparation_tank_soude lutilisation dun changeur thermique est primordiale pour
laccomplissement de cette tche.
Dans cette partie, nous commenons par la modlisation de lchangeur tubulaire
horizontale puis nous passons la dtermination des paramtres du rgulateur de temprature
associ.
Lchangeur reprsent dans la Figure 12 est aliment en vapeur deau la temprature
a et avec un dbit volumique kS (S section dalimentation) rglable par une vanne modulante
VM1. Leau pntre dans lchangeur la temprature de rfrence Te = ref, avec un dbit q
constant. Les tempratures de sortie sont v pour la vapeur, et s pour leau, mais cette
dernire ne peut tre mesure quen m avec un retard de tr second.
Figure 12: Modlisation de l'changeur [6]
Soit les paramtres suivants
- S section dalimentation
- v temprature du vapeur et temprature s mesure par m
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 49
- R : rsistance thermique moyenne globale de lchangeur thermique, exprime en W.m-2.K-1
- C : capacit calorifique, exprime en J / C
- C = m.c ; c: capacit calorifique massique exprime en J.kg-1 /C
- : masse volumique, exprim en kg/m3
2.2.1. Fonction de transfert de lchangeur :
Une modlisation faite par le Pr. I. Zambettakis [6] nous conduit la fonction de
transfert suivante (Annexe 1) :
(1)
Les paramtres a, b, c, f et g sexprimant, en fonction des paramtres donns, par :
Puis pour le transfert (m / S) il faut traduire le fait que la mesure m de s est effectu
par un capteur (PT100) qui prsente uniquement un retard tr, soit :
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 50
Le retard sexprimant en calcul oprationnel par loprateur de retard e-tr p, il vient :
Donc :
(2)
2.2.2. Schma fonctionnel
(a) schma fonctionnel du processus seul (en boucle ouverte) :
(b) asservissement laide dun thermocouple et dun systme bielle
manivelle qui permettent dactionner la vanne:
(c) En assimilant le thermocouple et le systme bielle manivelle un gain
K, il vient successivement les schmas quivalents suivants :
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 51
2.2.3. Application numrique
En se basant sur les caractristiques physiques de la vapeur sature dveloppes dans le
tableau de lAnnexe 2 ainsi que de la dfinition de la chaleur massique explique dans
lAnnexe 3 , on a ralis le tableau suivant concernant le fluide de chauffage et le fluide
chauff par lchangeur tubulaire utilis dans la centrale CIP concevoir.
Tableau X: Caractristique physique du fluide chauffant et du fluide chauff Pression
(bar)
Masse
volumique
(kg/m3)
Capacit
calorifique
massique
c (KJKg-1K-1)
Capacit
calorifique
(KJ/C)
C = m.c
Fluide de
chauffage
Vapeur
Sature (5l)
8 4.162 2,4951 0.052
Fluide
chauff
Eau (2l) 6 990 4,18 8.276
On a procd des prlvements des tempratures du vapeur entrant lchangeur et
sortant sous forme deau condens ainsi que de leau chauff et de la section douverture de la
vanne modulante un point de fonctionnement prcis de la procdure actuelle de chauffage :
- Temprature de la vapeur venant de la chaudire a = 175C
- Temprature de la vapeur sortant de lchangeur (sous forme deau condens)
v0 = 70C
- Temprature de leau sortant de lchangeur s0 = 30C
- Le diamtre de la vanne modulante est 34 mm, donc la section ouverte, au
point de fonctionnement, de la vanne modulante (VM1) est : S0 = 9.08 .10-4 m2
- Le dbit de leau sortant de la cuve soude est : q = 35 m3h-1
Le calcule de la valeur du coefficient Kv de la vanne modulante dpend des
conditions et du type de linstallation, telles que le dbit, la densit du fluide et la pression
en amont. Lquation adopte pour la vapeur sature est la suivante (daprs ThermExel):
1.2.11 P
GK v = (3)
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 52
Avec :
G : Dbit de la vapeur (kg/h)
P1 : Pression en amont par rapport la vanne modulante VM1 (bar)
G = 620 kg/h ; P1 = 8 bar => Kv = 6,92 m3h-1
Etant donne que lchangeur thermique choisit pour la centrale NEP est tubulaire
horizontale en inoxe ; ce choix a t effectu pour diminuer la dgradation, liminer le
coefficient dencrassement, en tenant compte du fluide de chauffage et du fluide chauff
et en se basant sur les donne fournies par le constructeur la rsistance moyenne de
lchangeur est comme suit : R = 5000W-1.m2.K
Ces donnes nous conduisent la dtermination des paramtres de la fonction
transfert du modle changeur :
a = 145,105. 103 ; b = 38, 46 .10-4 ; c = 1,251
f = 1.75 .104 ; g = 24,166 .10-6
1892.25.17
5.3
)(
)()(
2 ++==
pppS
pspT
(4)
Ou encore T (p) = )1)(1( 21
0
pp
K
++ (5)
Avec 1= 0.13 et 2 = 17.37 et K0 = 3.5
2.2.4. Dtermination des paramtres du rgulateur :
On rappelle que le rle dun rgulateur est de maintenir la grandeur rgule une valeur
de la consigne malgr la prsence des perturbations dans le fonctionnement en rgulation ou
suivre la variation dune consigne dans le fonctionnement en asservissement. Au moyen du
choix des actions et de leurs paramtres, il est possible dobtenir un comportement dsir en
boucle ferme, caractrisant les performances du systme.
De manire qualitative, les critres satisfaire sont les suivants :
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 53
Les effets de perturbations doivent tre minimiss ou encore mieux, ils
doivent tre liminer compltement et ce, le plus rapidement possible.
Les changements de consigne doivent tre suivis rapidement et avec une
bonne prcision.
De manire quantitative, il sagit de proposer les actions (P,I,D) du rgulateur et de
leurs paramtres (Kp, Ti, Td) rpondant le mieux possible aux spcifications dun cahier de
charges.
Mthodes directes : Mthodes du modle
Les mthodes directes (thoriques) sont trs nombreuses et reposent sur la connaissance
dun modle prcis du systme commander. Les performances relles obtenues dpendent
da la qualit du modle et son aptitude reprsenter le mieux possible le procd. Parmi ces
mthodes on propose deux variantes de la mthode du modle : une base sur la donne de la
fonction de transfert en boucle ferme rpondant un cahier de charges et lautre base sur la
donne de la fonction de transfert en boucle ouverte. Pour la rgulation de temprature faire
on se limitera lutilisation de la mthode du modle base sur la fonction de transfert en
boucle ferme.
La structure du systme en boucle ferme est la suivante :
Figure 13 : implmentation du rgulateur
La fonction de transfert en boucle ouverte est G (p) = C (p) T (p)
La fonction de transfert en boucle ferme est:
)().(1
)().()(
pTpC
pTpCpF
+= (6)
d(p) (p) s(p) S(p)
C(p) T(p) +
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 54
De ce fait, le rgulateur C (p) est dtermin par la relation suivante :
))(1()(
)()(
pFpT
pFpC
= (7)
La ralisabilit de C (p) est conditionne par la diffrence des degrs des polynmes
entre le numrateur et le dnominateur de cette fonction de transfert. En effet, on dit quun
transfert est ralisable si le degr du dnominateur est suprieur ou gal celui du
numrateur.
Usuellement, le comportement souhait en boucle ferme est celui dun systme dordre
un ou dordre deux avec un gain statique unitaire, ce qui permet une prcision statique
parfaite.
Application : Soit Fd (p) la fonction de transfert dsire en boucle ferme :
pTa
eKpF
pTu
d .1)(
.
+=
O est choisi de manire fixer le temps de rponse. Le rgulateur C (p) est alors :
ppTpC
.)(
1)(
=
On note au passage que le rgulateur apporte une intgration ce qui assure une prcision
statique parfaite.
Puisque le systme admet la fonction de transfert suivante :
)1)(1()(
21
0
pp
KpT
++=
C (p) peut tre exprim de trois manires :
( )( ) ( )ppKpK
pppC 2
10
1
0
21 11
1.
11)(
+
+=
++= (8)
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 55
Le rgulateur rsultant est donc un PID de type srie avec les paramtres :
2
1
0
1
==
=
d
i
T
T
KKp
))(
11()(
21
21
210
21 ppK
pC
+
++
++
= PID mixte (9)
pKpKKpC
0
21
00
21
.
1)( ++
+= PID parallle (10)
Remarques :
On aurait pu affecter Ti la constante de temps 2 et Td la constante de temps
1. En pratique, on fait le choix de manire ce que Ti soit plus grande Td.
Il convient dans tous les cas dajouter un filtre passe-bas ltage ralisant
laction drive ou au montage ralisant C (p) comme le montre les expressions
suivantes par exemple:
( )
))(
11(
1
1)(
)1
111()(
21
21
210
21
0
021
21
210
21
++
++
++
=
+++
++
+=
p
pKppC
p
p
pKpC
(11)
0 doit tre choisi de manire raliser une bonne qualit de filtrage des hautes
frquences sans pnaliser le systme par lajout de cette constante de temps. En faite 0 nest
pas un paramtre de synthse comme Kp, Ti et Td, mais plutt un paramtre de rglage
supplmentaire dordre pratique.
Dans la mthode du modle, C (p) sobtient par inversion du modle du
procd :
))(1)((
)()(
pFpT
pFpC
=
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 56
De ce fait, elle ne convient pas pour les systmes pour lesquels la fonction de transfert
possde un retard pur ou un zro instable c'est--dire partie relle positive ce qui nest pas le
cas pour notre systme; car dans le premier cas C (p) est irralisable (prsence doprateur
avance) et dans le second cas, le rgulateur est instable :
)(1
)(
)(
)()(
)(
)()()( 0 pFd
pFd
pN
pDepC
pD
pNepTepT TpTpTp
===
)(1
)(
)(
)()(0
)(
)(
)(
)()(
pFd
pFd
ap
pDpCaavec
pD
ap
pD
pNpT
=>==
K
Dtermination des paramtres du rgulateur de temprature PID
Daprs la fonction de transfert de lquation (5) 1= 0.13 et 2 = 17.37 et K0 = 3.5
On souhaite obtenir un comportement dordre 1 en boucle ferme avec un temps de
rponse 5% gal 0.6 s (0) et une prcision statique parfaite.
De ce cahier de charges on dduit que la fonction de transfert en boucle ferme doit tre
dordre un, de constante de temps = 0.2 s et de gain statique unitaire; soit donc :
ppF
2.01
1)(
+= (12)
En retenant un rgulateur PID de type mixte filtr, on a :
pKpKKpC
00
21
00
21
1
11)(
++
+
+= (13)
p
p
ppC
6.01
22.3
7.0
125)(
+++=
La rponse indicielle du systme avec le rgulateur est reprsente par la Figure 13.
-
SEABG
Automatisation dune centrale C.I.P 57
Figure 14: Vrification du cahier de charge
On remarque que les conditions du cahier de charge sont vrifie puisque daprs la
rponse indicielle le systme en boucle ferme possde un comportement dun systme de 1r
ordre avec un temps de
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