Analyse fonctionnels :

Introduction :

Apres une description de la station de pompage et ses parties maintenant nous allons entamées le deuxième chapitre qui est l’analyse fonctionnel, Dans ce chapitre la nous allons parlé sur l’analyse fonctionnels de notre station de pompage en intégrons aussi tout ce qui approche technique et tout ce qui concerne les modes de fonctionnement de la station de pompage

Le projet consiste a la mise en place d’un système d’automatisation de la station de pompage avec une communication entre la station et le réservoir associés, ce qui va nous permettre la gestion des démarrages et l’arrêts des pompes en mode manuel ou en mode automatique en fonction du niveau d’eau dans le réservoir qui se trouve a Hydra d’eau qui se trouve au et celui de la bâche d’eau qui se trouve a BMR.

L’analyse fonctionnelle de l’API a pour objectif de définir les fonctionnalités des automatismes de pilotage et de surveillance des stations de pompage.Ce document définit les fonctionnalités de la station de pompage BMR.

Dans ce document sont décrits les éléments suivants :

● Présentation et fonctionnalités de l’installation.● Les fonctionnalités assurées par les automates.● Les fonctionnalités assurées par la supervision.

CAPTEURS RESERVOIRS, BACHE DE REPRISE :

Les niveaux analogiques sont affichés en mètre sur échelle réelle, a tenir en compte que la bâche d’aspiration est séparée en deux parties A et B chaqu’une avec des niveaux analogiques paramétrables grâce à la sonde associé ainsi deux poires pour les niveaux TOR qui seront utilisés comme secours.

Les réservoirs et les bâches sont équipés de :

- sondes de niveaux, capteurs de niveaux analogiques (mètre) utilisées en mode distant

Les sondes de niveaux doivent d’être sur la bâche d’aspiration (une sur chaque partie A et B) ainsi que sur les réservoirs de refoulement elles permettent l’automatisation et la permutation cyclique des pompes, elle assure la sécurité (niveau bas, niveau haut) et le contrôle (niveaux intermédiaires) des niveaux d’eau. Paramétrables depuis l’HMI.

- poires, capteurs de niveau tout ou rien (TOR) utilisées en cas de problèmes sur les sondes

Les poires de niveau bas LL doivent être raccordées électriquement en sécurité positive afin que, lorsque le niveau d’eau est en dessous de la poire, le signal reçu par l’automate soit à 0 et inversement lorsque le niveau d’eau recouvre la poire, le signal reçu par l’automate soit à 1.

Les poires de niveau haut HL doivent être raccordées électriquement en sécurité positive afin que lorsque le niveau d’eau est en dessous de la poire, le signal reçu par l’automate soit à 1 et inversement lorsque le niveau d’eau recouvre la poire, le signal reçu par l’automate soit à 0.

FONCTIONNEMENT GLOBAL

Chaque station de pompage a pour fonction la gestion du niveau de son réservoir tout en faisant attention de ne pas vider la bâche de reprise. Pour cela, une station de pompage a plusieurs groupes pompes/vannes qu’elle doit gérer en fonction des sondes et poires de niveaux des 2 réservoirs

Le réservoir de refoulement demande un nombre de groupe à démarrer en fonction de son niveau. La bâche de reprise autorise les groupes à démarrer en fonction de son niveau.

L’enclenchement du compresseur associé à l’anti bélier (dont le niveau d’eau de son réservoir atteint le niveau HL (niveau haut)) jusqu’à ce que le niveau arrive à LL (niveau bas) qui déclenchera le compresseur.

Chaque pompe est associée à une vanne motorisée.

Le fonctionnement d’un groupe pompe/vanne de la station peut se faire soit en local, en manuel ou en automatiqueEt pour enclencher un groupe qui est composé de la pompe + vanne, ce dernier doit être disponible

DISPONIBILITE D’UN GROUPE (pompe+vanne) :

La disponibilité d’un groupe est active lorsque :

- Les commutateurs doivent être en position « distant ».

- Disponibilité électrique d’un groupe :

o Pas de défaut électrique pompe

o Pas de défaut électrique vanne motorisée

o Pas de défaut discordance pompe

o Pas de défaut discordance vanne

- Disponibilité générale des groupes :

o Pas de sécurité niveau très haut (HL) réservoir refoulement

o Pas de sécurité niveau très bas (LL) bâche de repriseGESTION DE LA DISCORDANCE

Lorsqu’une pompe est commandée, le programme vérifie après une temporisation de présence du fonctionnement de la pompe. Si le retour de marche n’est pas présent, la pompe est considérée en défaut.

Lorsqu’une vanne est commandée, le programme vérifie après une temporisation de présence du fonctionnement de la vanne. Si la fin de course correspondant n’est pas active, la vanne est considérée en défautMODES DE FONCTIONNEMENT

Les actionneurs (moteurs et vannes) raccordés à l’automate sont munis d'un commutateur local / distance. Le système prend en compte la position du commutateur sélectionnée localement par l’opérateur et autorise ou non le fonctionnement automatique de(s) l’actionneur(s).

AUTOMATES DE GESTION DU PROCESS :

API S7 300 : c’est l’automate principale qui assurera la commande et les sécurités électriques ainsi que les entrées pressions, débit et niveaux des bâches d’aspiration. Il coordonne et contrôle les automates déportés SOFREL S550 de chaque station.

SOFREL S550 : située devant le réservoir de Hydra, cet automate nous permet de lire le niveau dans le réservoir via une sonde immergé dedans et traite les données, il communique avec l’autre SOFREL au niveau de BMR avec le protocole GSM-DATA

SOFREL S550-BMR : située a la station de BMR c’est celui qui reçoit les données envoyé par l’automate de Hydra et les transfère a l’automate principale via anybus.

MODE LOCAL

Ce mode a un fonctionnement hors automatisme.Un équipement se trouve en mode local lorsque son commutateur local / distant est sur position « local ».

En principe la position « local » n'est choisie que pour des opérations de maintenance ou de test. Dans cette position toutes les actions sont commandées par l’opérateur depuis la boite de BP locale. Aucun asservissement n'est assuré par le système. La discordance contacteur n'est pas gérée, seul le défaut électrique est surveillé.

Seules restent actives les fonctions propres à la détection de fuite, et à tout ce qui touche à la sécurité des personnes. Dans ce mode, les autorisations liées aux temps de fonctionnement de chaque pompe ne sont pas valides. Les sécurités liées au niveau de la bâche (niveau bas anti marche à sec) sont pris en charge (l’arrêt des pompes se fait directement par câblage).

MODE DISTANT

Un équipement se trouve en mode distant lorsque l’opérateur a positionné le commutateur local / distant sur la position « distant ».

Un équipement est dit en mode distant quand sa commande est sous le contrôle de l’automate. Toutes les séquences sont exécutées d'une manière automatique en fonction des asservissements du procédé.

Transition entre les modes de marche

- Passage du mode « local » à « distant » :

Le passage en mode automatique, de l’équipement se fera lorsque l’équipement sera à l’arrêt, ceci implique une vigilance des opérateurs pour la sécurité.

- Passage du mode « distant » à « local » :Le passage du commutateur sur cette position implique que l’organe soit également à l’arrêt, l'équipement n'est plus asservi par l’automate.

API « MODE AUTO ET MANU »

Les modes automatique et manuel ont un fonctionnement avec automatisme.Lors d’un retour à un fonctionnement via l’automate, c'est-à-dire après avoir travaillé en mode « local », le mode par défaut sera le mode « manu ».Dès lors que tous les organes ont leur commutateur sur « distant », l’opérateur peut choisir entre le mode « auto » et le mode « manu » depuis le terminal graphique.Toutes les sécurités sont actives dans ces 2 modes.

API « MODE AUTO »

Ce mode de fonctionnement est sélectionnable à partir de l’IHM lorsque le sélecteur de l’armoire de commande et celui du boitier de commande sont sur le mode « distant ».Ce mode a pour but d’optimiser les réserves d’eau de chaque réservoir et d’uniformiser l’usure des pompes ainsi que de maintenir un niveau d’eau suffisant dans les bâches de reprise afin d’alimenter les pompes en continue.

Le choix du groupe (pompe + vanne) à démarrer se fait en tenant compte de sa disponibilité et de son temps de marche et d’arrêt. La pompe à démarrer est celle qui a le temps d’arrêt le plus élevé et la pompe à arrêter est celle qui a le temps de marche le plus grand.Chaque groupe a un ordre de démarrage et d’arrêt qui sont fonction des niveaux d’eau dans la bâche de reprise associée et du réservoir.Séquence d’un groupe   :

Lorsque le système commande le démarrage d’un groupe il démarre la pompe associé Dès le retour « fin démarrage » de la pompe, le système commande l’ouverture de la vanne appropriée. Dès que l’information « fdc vanne ouverte » est reçue Le groupe est considéré comme en marche.

Dans le cas ou l’information de fin course de la vanne n’est pas reçue au bout d’une temporisation (correspondant au temps d’ouverture de la vanne) un défaut discordance vanne à l’ouverture est activée, ce qui provoque l’arrêt de la pompe associée.

Lorsqu’un groupe en service reçoit un ordre d’arrêt, Le système ferme la vanne appropriée. Dès que l’information « fdc vanne fermée » est reçue le système commande l’arrêt de la pompe associée. Le groupe est considéré comme à l’arrêt.

Dans le cas ou l’information de fin course de la vanne n’est pas reçue au bout d’une temporisation (correspondant au temps de fermeture de la vanne) un défaut discordance vanne à la fermeture est activée, ce qui provoque l’arrêt de la pompe associée.

Il se peut qu’un ordre de démarrage soit donné simultanément à plusieurs groupes. Dans ce cas le système démarre le groupe qui a le temps d’arrêt le plus long. Le second groupe

démarrera après une temporisation de démarrage entre 2 groupes (cette temporisation sera paramétrable depuis l’IHM). La temporisation démarre lorsque le groupe précédent est en marche (fin de course la vanne associée).

API « MODE MANU »

Ce mode de fonctionnement est sélectionnable depuis le terminal graphique du pupitre automate. Il n’est accessible que si le sélecteur de l’armoire de commande et celui du boitier de commande sont sur le mode « distant ».

La sélection du mode « MANU » sur l’IHM donne accès à l’opérateur aux commandes de chaque pompe et vanne de la station par le biais de bouton apparaissant sur le terminal.

- boutons « marche » et « arrêt » pour piloter les pompes

- boutons « ouverture » et « fermeture» pour piloter les vannes

Seul les temps de fonctionnement des pompes sont inhibés dans ce mode de fonctionnement. Toutes les autres sécurités restent actives.

DEMANDE DE MARCHE DES GROUPES.

Le réservoir dispose de seuils de marche et d’arrêt des groupes.Sur la station, le nombre de seuil ets Les niveaux en mode automatique sont assurés par la sonde de niveau analogique en mètres suivant la profondeur de la bâche d’aspiration. En mode dégradé l’utilisation des poires de niveau sera la solution secours pour fonctionnementStations de Hydra refoulement   :

AUTORISATION DE MARCHE DES GROUPES :

Dans notre process la station de Hydra fait la demande selon le niveau du réservoir mais le démarrage des pompes des pompes ne se feras pas jusqu'à ce que les bâche qui se trouve au niveau de BMR autorisent le nombre de pompe en prenant compte de la disponibilité.

Arrêt de tous les groupes

Arrêt d’un premier groupe

Démarrage d’un premier groupe

Démarrage de tous les groupes

Mètre

RESERVOIR

Autorise 2 pompes

Autorise 1 pompeMètre

PERMUTATION CYCLIQUE :

Lorsque le système commande le démarrage d’un groupe :- Le système démarre la pompe- Dès le retour « fin démarrage » de la pompe, le système commande l’ouverture de

la vanne associée.- Dès que l’information « fdc vanne ouverte » est reçue- Le groupe est considéré comme en marche.

Et pour arrêter un groupe qui est en service :- Le système ferme la vanne- Dès que l’information « fdc vanne fermée » est reçue le système arrête la pompe- Le groupe est considéré comme à l’arrêt.

Le principe de la permutation cyclique est le suivant :

- Démarrage de la pompe qui a le temps d’arrêt le plus long,- Si la pompe n’a pas les conditions de démarrage, donner l’ordre à une autre

pompe.- pour l’arrêt, le groupe à arrêter sera celui ayant le temps de fonctionnement le plus

long.

En cas de défaut sur un groupe :

- Arrêter la pompe et fermer la vanne associée.- Permuter sur un autre groupe suivant les conditions de démarrage, la disponibilité

et les sécurités appropriées.

CONTROLE DU NOMBRE DE DEMARRAGE

Ce traitement permet de protéger les moteurs contre les démarrages trop fréquents. L’automate compte le nombre de démarrage effectués par la pompe pendant 1 heure. Lorsque le compteur a atteint le nombre maximum de démarrages admis, la pompe devient indisponible pour un nouveau démarrage après son arrêt. La pompe reste indisponible durant un temps donné.

DEFAUTS

On appelle défaut, un événement dont l'origine est une anomalie physique. On définit l’alarme comme une représentation visuelle du défaut.L'alarme est l'information issue du défaut. Elle est transmise à l’opérateur par l’intermédiaire du terminal IHM.

On distingue plusieurs types de défauts :

N’autorise aucune

- Les défauts câblés (ou défauts électriques). Ces défauts sont acquis directement par câblage depuis les armoires électromécaniques. Ils correspondent à des dysfonctionnements liés à la sécurité des hommes : arrêts d'urgences etc... et la protection des machines : les défauts des départs actionneurs (thermiques). Ces défauts sont surveillés par le système en permanence et ceci quel que soit le mode de fonctionnement choisi par l’opérateur (position du commutateur).Une alarme de ce défaut est générée.

- Les défauts générés par le programme, ils peuvent être de plusieurs natures :

o Ceux liés à une anomalie physique d'un ou plusieurs constituants de l'équipement : exemple discordance entre la commande et le retour d’état du contacteur, rupture de fils d’une mesure, etc. Ces défauts sont calculés par le système uniquement lorsque l'équipement est en mode automatique.

o Les défauts système. Ils correspondent à des anomalies physiques liées aux organes du système (par exemple : défaut de carte).

Procédure d’acquittement des défauts   :

Lorsqu’un défaut apparaît, une alarme est obligatoirement associée à celui-ci. L’opération d’acquittement est réalisée par l’opérateur sur le terminal IHM en deux étapes :

- La prise en compte effective de l’alarme sur la page d’alarme associée au défaut en appuyant sur la touche « enter ».

- L’acquittement proprement dit du défaut en sélectionnant la page d’exploitation de l’équipement associé au défaut et en validant l’acquittement (cet acquittement n’est effectif que si l’événement qui est à l’origine du défaut a disparu).

Les défauts seront affichés sur la supervision.Défauts des pompes : discordance des pompes, température, …Discordance des vannesDéfaut de communication entre la station et le réservoir

Tous ces défauts entraînent l’arrêt de la pompe et la fermeture de la vanne concernéeFONCTION DE L’AUTOMATE

L’automate principal S7300 raccordé en Profibus-DP Sur les armoires de commande :

● Gérer l’automatisation de la station de pompage en mode « distant », à savoir le démarrage et l’arrêt des groupes en fonction du niveau d’eau dans le réservoir et dans la bâche de refoulement.

● Gérer la communication avec la supervision,

● Gérer la communication avec le réservoir.

● Gérer la fonction énergie qui comprend le poste de livraison, le poste transfo et les équipements de démarrage du poste TGBT● Gérer la communication avec les relais de protection numérique● Gérer la protection anti-bélier

● Gérer la gestion des 3 compresseurs d’air en service (tenant compte des 3 compresseurs redondants) ● Gérer la communication avec centrale anti intrusion

Voici un schéma représentant nos deux station de BMR et Hydra, Cette configuration utilise un modem SOFREL sur la station de pompage et sur le réservoir pour communiquer. Le réservoir doit envoyer les informations du niveau d’eau à la station

sonde hydrostatique waterpilot FMX167

INSTRUMENTATION :

La sonde de niveau :

Le Waterpilot FMX167 est un capteur de pression hydrostatique pour la mesure de niveau utilisé dans les deux bâches d’eau de BMR ainsi que dans le réservoir de refoulement a Hydra qui seront émergé dedans.

Pression hydrostatique : variable en fonction de la profondeur atteinte - cette pression augmente de 1 bar par tranche de 10 m sous l'eau (0,98 bar dans l'eau douce et 1,007 bar dans l'eau de mer)

En hydrostatique, la différence de pression Δp entre deux points dans un fluide est liée à la différence de hauteur entre ces deux points, par la relation :

Δp = ρ g hΔp la différence de pression en Pa,ρ (rho) est la masse volumique du fluide (en kg/m3),g est l'accélération de la pesanteur (environ 9,81 m/s² au niveau de la mer),h la différence de hauteur en m.

1 Cellule céramique2 Flexible de compensation de pressionh Niveaup Pression totale = pression hydrostatique + pression atmosphériqueρ Densité du produitg Accélération de la pesanteurphydr. Pression hydrostatiquepatm Pression atmosphérique

Principe de fonctionnement :

La cellule céramique est une cellule de mesure sèche, c'est à dire la pression agit directement sur la robuste membrane céramique du et la déplace de max. 0,005 mm.Les effets de la pression atmosphériques sur la surface du liquide sont amenés par le biais d'un flexible de compensation de pression à travers le câble porteur jusqu'à la face arrière de la membrane et compensés. Aux électrodes du support céramique on mesure une variation de capacité fonction de la pression, engendrée par le déplacement de la membrane. L'électronique la transforme ensuite en un signal proportionnel à la pression, linéaire par rapport au niveau qui se traduit par la relation qu’on voit dans la figure en desus.

Le servomoteur :Un servomoteur (couramment appelé "servo" du latin "servus" signifiant "esclave") est un moteur capable de maintenir une opposition à un effort statique et dont la position est vérifiée en continu et corrigée en fonction de la mesure. C'est donc un système asservi.

Le terme servomoteur désigne également de manière abusive le préactionneur, la plupart du temps pneumatique (système membrane/ressort), plus rarement hydraulique ou électrique d'une vanne de régulation. Dans ce cas l'asservissement de position est toujours effectué par un organe distinct nommé positionneur.

Un servomoteur est un système motorisé capable d'atteindre des positions prédéterminées, puis de les maintenir. La position est : dans le cas d’un moteur rotatif, une valeur d'angle et, dans le cas d’un moteur linéaire une distance. On utilise des moteurs électriques (continu, asynchrone, brushless) aussi bien que des moteurs hydrauliques. Le démarrage et la conservation de la position prédéterminée sont commandés par un système de réglage.

Selon leur alimentation en énergie, les servomoteurs se divisent par groupes: pneumatiques, hydrauliques et électriques.

La description proposée ci-dessous détaille principalement les servomoteurs électriques utilisés pour la manœuvre des vannes industrielles parmi eux :

-Servomoteurs multitours

-Servomoteurs fraction de tour 

-Servomoteurs à déplacement linéaire

Dans notre cas c’st un servomoteur multitours :

Un servomoteur multitours est un servomoteur qui transmet un couple à une vanne durant au moins une manœuvre complète. Il est capable de supporter la poussée

Conception :

Moteur (1) 

Quasiment tous les types de moteurs électriques sont utilisés. Moteur à courant continu ou alternatifs, monophasés ou triphasés. La préférence va toutefois aux moteurs asynchrones à courant alternatif triphasés mais également au moteur à courant alternatif monophasé. Leur robustesse et leur fort couple au démarrage sont deux qualités appréciées dans ce domaine, notamment quand il faut sortir une vanne bloquée dans son siège.

Technologie sensorielle de course et de couple (2)

Les contacts de fin de course servent à mesurer la distance parcourue et à signaler lorsque la position finale est atteinte. Un limiteur de couple enregistre l'effort sur la vanne. Un

dépassement d'une valeur de limite est également signalée. Les servomoteurs disposent fréquemment d'un codeur de position absolu (numérique ou analogique)

Réducteur (3) 

Les réducteurs employés sont régulièrement des réducteurs à roue et vis sans fin. La réduction est souvent importante. Les vitesses de manœuvre des vannes sont relativement faibles. Malgré le rendement médiocre de ce type de transmission, la caractéristique d'irréversibilité la rend particulièrement bien adaptée aux servomoteurs. Ce type de réducteur permet de maintenir le couple sans alimentation du moteur, et, sur les servomoteurs multitours, à soutenir la charge due au poids du tablier

Fixation de la vanne (4) 

Le raccordement à la vanne est réalisé par deux éléments. Le premier élément appelé l'embase du servomoteur est solidement vissé à la bride de montage de la vanne. La taille de cette bride augmente avec la valeur du couple à transmettre.

Le deuxième élément est l'accouplement, utilisé pour transmettre le couple ou la poussée du servomoteur à l'arbre de la vanne. Vu le grand nombre de types de construction des vannes, il y a également une multitude de types d'accouplements.

Commande manuelle (5) 

La plupart des servomoteurs électriques sont équipés d'un volant permettant de le manœuvrer manuellement (lors de la mise en service ou lors d'une panne de courant par exemple). Le volant ne tourne pas pendant le fonctionnement du moteur.

Commande de servomoteur (6) 

La commande de servomoteur assure d'une part le traitement des signaux du servomoteur et d'autre part le traitement des commandes de manœuvre du système de contrôle. Cette tâche peut être effectuée par une commande externe, par exemple, un API (Automate Programmable Industriel). Les servomoteurs modernes sont équipés d'une commande intégrée assurant le traitement des signaux sur place et sans délais. La commande électrique des moteurs peut être réalisée par des contacteurs ou par des composants électroniques statiques (transistor IGBT, thyristor, GTO etc.)

Raccordement électrique (7) 

Les câbles d'alimentation du moteur et les câbles de signal sont connectés au bornier électrique du servomoteur pour transmettre les ordres de commandes à celui-ci, et pour retransmettre la position du servomoteur au système de contrôle commande. Idéalement le raccordement électrique doit être réalisé par un monoconnecteur afin d'éviter tout décâblage lors de la maintenance.

Connexion bus de terrain (8) 

Dans le secteur de l'automatisation de procédé, la technologie bus de terrain s'impose de plus en plus pour la transmission des données. Pour cette raison, les servomoteurs électriques sont disponibles avec toutes les interfaces de bus de terrain conventionnellement utilisées dans l'automatisation de procédé. Une technologie de connexion particulière peut être requise selon le bus utilisé.

Les pompes centrifuges :[12]

Les pompes centrifuges sont composées d'une roue à aubes qui tourne autour de son axe, d'un stator constitué au centre d'un distributeur qui dirige le fluide de manière adéquate à l'entrée de la roue, et d'un collecteur en forme spirale disposé en sortie de la roue appelé volute,

Le fluide arrivant dans l’admission est dirigé vers la roue en rotation,

sous l'effet de la force centrifuge lui communiquant de l'énergie cinétique.

Cette énergie cinétique est transformée en énergie de pression.

Les pompes utilisées dans notre process se spécifient par les

caractéristiques suivantes :

Pour relier les pompes au réseau, un certain nombre de dispositifs de sécurité et de

commande sont exigées comme suit :

Le transformateur abaisse la tension secteur pour garantir la sécurité des utilisateurs sur la

partie commande ;

Le sectionneur d’isolement avec fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau

pour les opérations de maintenances et protéger également le dispositif en aval contre

les risques de court-circuit grâce aux fusibles ;

Le contacteur permet d’alimenter le moteur avec une commande manuelle ou

automatique avec un automate programmable.

Un démarreur progressif qui permet de :

Réduction du courant de démarrage Accélération progressive sans à coups obtenue par contrôle de l’intensité absorbée

par le moteur

Schéma électrique d’une pompe

Les vannes 

Les vannes sont des actionneurs automatiques, quel que soient le fabricant et le type de la

vanne elles sont décomposables technologiquement en deux parties (voirla Figure III.7):

Un servomoteur qui converti le signal de commande pneumatique en un déplacement ;

Un corps de vanne qui laisse passer le débit en fonction de la position de la tige du

servomoteur

Schéma fonctionnel

[12] Abd el Kader FAREHA, . Azzedine BENSALLOUA ‘’ Automatisation et Supervision de la station de préparation du sirop à l’usine ABC’’ « PEPSI », mémoire de master 2011-2012