automate programmable industriel API - theses.univ …theses.univ-oran1.dz/document/TH3527.pdf ·...

1

DEPARTEMENT INFORMATIQUE

MEMOIRE

Prsent par

Mlle BENNANI FATIMA ZOHRA

Pour obtenir

LE DIPLOME DE MAGISTER

Spcialit Informatique Industrielle

Option : Analyse, Commande et Surveillance des Systmes Industriels

Intitul :

Devant les membres du jury :

Encadr par : Mer H. HAFFAF : Professeur - Universit dOran.

Prsident du jury Mer B.BELDJILALI : Professeur- Universit dOran

Examinatrice Mme K. GUENACHI : MCA- Universit dOran

Examinateur Mer ATMANI.B : MCA- Universit dOran

Examinateur Mer BOUAMRANE.K : MCA- Universit dOran

Simulation de diagnostic de lautomate programmable industriel API

pdfMachine A pdf writer that produces quality PDF files with ease!

Produce quality PDF files in seconds and preserve the integrity of your original documents. Compatible across nearly all Windows platforms, if you can print from a windows application you can use pdfMachine.

Get yours now!

http://www.pdfmachine.com?cl

2



Get yours now!


3

Remerciements

Au nom du tout puissant et son salut sur le prophte

Louange dieu le misricordieux de nous illuminer le chemin du savoir et

nous avoir Aid.

Jexprime toute ma reconnaissance monsieur le professeur H. HAFFAF

davoir accept de diriger ce travail et pour son aide prcieuse.

Je suis trs honore que Madame K.GUENACHI, Monsieur B. ATMANI et

Monsieur K. BOUAMRANE aient accept la charge de juger ces travaux.

Jadresse mes plus chaleureux remerciements Monsieur B.BELDJILALI qui

ma fait lhonneur de prsider mon jury. Je tiens exprimer ma plus profonde reconnaissance envers M

r.

BENHAMED chef de service informatique du complexe GP2Z pour son aide

et encouragement durant ces annes dtude.

Mes remerciements vont galement Monsieur Khatem ingnieur au niveau

de service SNCC du dpartement technique complexe GP2Z , pour m'avoir

fait profit de son immense connaissance de l'automatique, tant sur le plan

thorique qu'exprimental et pour ses conseils prcieux.

Que l'ensemble dingnieurs du dpartement technique, maintenance et

production du complexe GP2Z, soient aussi remercis pour leurs conseils et

l'aide prcieuse qu'ils m'ont apport tout au long de ce travail.

Je terminerais par rendre hommage mes enseignants, tous cycles

confondus ; sans oublier tous ceux et celles qui mont aid et encourag pour

finaliser ce travail de recherche.

MERCI !



Get yours now!


4

Ddicaces Que ce travail soit le fruit de mon ego .. Fasse de bonheur dautrui qui sont plus que mes gaux .. A toi, chre et adorable Mre A toi, cher Papa mon orgueil sur terre A toutes mes surs Wassila, Ilhem, Amel Amon unique frre Yahia A mes adorables neveux Hocine, Yousra, Rayhana A ma chre collgue et sur Bouchiba fatima A tous ,,, Je ddie ce humble travail qui na put tre achev sans laide dAllah le tout puissant.. ,,, que ce travail me soit le moyen dexhausser tous mes prires notre grand amour : Notre prophte Mohammed .. que le salut dAllah soit sur lui,,, Fatima Zohra



Get yours now!


5

Table de matires

Introduction gnrale..... 1 Chapitre1 : Automates programmables industriels.... 5 I. Introduction 5 II. Procds industriels.. 6 III. Contrle des Procds industriels... 6

a) Couche de terrain ..... 7 b) Couche de contrle 7 c) Couche de supervision.. 8

III.1 Diagnostic..... 8 III.1.1. Mthodes de diagnostic 8

III.2. Dfaillance.... 9 III.2.1. Consquences dune dfaillance... 10

III.3. Dfaut... 10 III.4. Symptme..... 11 III.5. Surveillance... 11 III.6. Lautomatique... 12 III.7. Lautomatisation .. 12 III.8. Automatiser un processus ............................................................................ 12 III.9. Lautomate 12 III.10. Architecture de la commande du systme de production .. 13

III.10.1. Architectures centralises.. 13 III.10.2. Architectures hirarchiques 14

IV. Automate programmable industriel (API).. 16 IV.1. dfinition... 16 IV.2 Structure des systmes automatiss... 16 IV.3 Fonctions de lautomate..... 17 IV.4 Etapes de conception dun automate...... 23 V. Dfinition de la simulation.. 24 V.1 Domaines dapplication.. 24 V.2 Etapes et critres de ralisation dune simulation... 25 V.3 Mthodes de modlisation.. 27 Automate dtat fini.. 27 Rseau de Petri.. 27 Grafcet... 28 VI Conclusion

29

Chapitre 2 : Conception de la solution dautomatisation 30



Get yours now!


6

Partie1 : Environnement de travail... 30 I. Introduction 30 II. Prsentation de lentreprise daccueil.. 31 II.1 Traitement du GAZ..... 33 II.2 Structure du compresseur ... 35 III. Diagnostic et surveillance du procd..... 36 Partie2 : Dmarche suivie... 38 IV Etapes de conception de la solution dautomatisation..... 38 Etape1 : Subdivision du procd... 39

1- Principe de fonctionnement..... 39 2- Modlisation du fonctionnement..... 40

Etape 2: Description des diffrentes zones fonctionnelles.... 42 Etape3: Dfinition des exigences en matire de scurit. 43

1- Etapes de dmarrage............ 43 2- Etapes darrt... 44

Etape4: Description de systme de contrle et commande requis 44 1- Conversion des signaux analogiques.. 47 2- Fonctionnement en boucle ferme.. 49 3- Panel local 49 4- API (composants).... 50 5- Schma fonctionnel de lAPI.. 51 6- Interface oprateur (HMI)... 56

V. Conclusion 61 Chapitre 3 : Conception de systme de simulation.. 62 Partie1 : Choix des outils de conception 62 I. Introduction 62 II. Choix de la mthode de modlisation.. 64

1- Elment graphique de base.. 65 2- Rgles dvolution... 65

III. Outil de programmation.. 66 IV. Langage de dveloppement..... 71 V. Outil de simulation .. 75 Partie2 : Contributions de la thse.... 82 VI. Description de lapplication dveloppe (Etape5)...... 82 VI.1 Modlisation de fonctionnement de lautomate 83 VI .2 Installation du logiciel STEP7.. 87 VI .3 Cration et configuration de projet de lautomate.... 87 VI .4 Simulation du programme de lautomate...... 102 VI .5 Simulation du pupitre de lautomate.... 109 VII. Conclusion..... 114 Conclusion gnrale et perspectives.. 115



Get yours now!


7

Bibliographie 117 Annexe.. 125 Glossaire.. 131



Get yours now!


8

Liste des figures

Figure1 : Mthodes de diagnostic

Figure2 : Architecture centralise

Figure3 : Architecture hirarchique

Figure4 : Structure du systme automatis

Figure5 : Fonctions de lautomate

Figure6 : Architecture de lautomate

Figure7 : Interface dentre tout ou rien

Figure8 : Interface dentre analogique

Figure9 : Interface de sortie tout ou rien

Figure10 : Interface de sortie numrique/ analogique

Figure11: Etapes de simulation

Figure12 : Complexe GP2Z

Figure13 : Sphres de stockage

Figure14 : Bac de stockage

Figure15 : Schma densemble de linstallation

Figure16 : Structure du compresseur

Figure17 : Chssis des capteurs

Figure18 : Vue sur site du compresseur

Figure19 : Etapes de conception dune solution dautomatisation

Figure20 : Modle topologique du compresseur

Figure21: Modle conceptuel du compresseur

Figure22 : Signal analogique

Figure23 : Signal logique

Figure24: Entres de Lautomate

Figure25 : Sorties de lautomate

Figure26 : Module dentre analogique

Figure27 : Module de sortie analogique

Figure28 : Reprsentation densemble dun automatisme



Get yours now!


9

Figure29: Contrle en boucle ferme

Figure30 : Panel de contrle

Figure31: Automate programmable industriel (au niveau de la salle de contrle)

Figure32: Schma fonctionnel de lAPI

Figure33 : Etats de la CPU

Figure34 : Traitement du programme

Figure35 : Communication entre automate, panel et CPS

Figure36 : Communication matre-esclaves

Figure37 : Elments du grafcet

Figure38 : Composants du projet

Figure39 : Logiciel STEP7

Figure40 : Structure du programme STEP7

Figure41 : Fentre de programmation

Figure42 : Interface de simulation PLCSIM

Figure43 : Simulateur PROTOOL

Figure44 : Configuration de linstallation

Figure45 : Configuration de la zone de communication

Figure46 : Dmarrage du compresseur

Figure47 : Arrt du compresseur

Figure48 : Fonctionnement du compresseur

Figure49 : Projet de lAPI

Figure50 : Station du projet

Figure51 : Outil HW config

Figure52 : Configuration du chssis

Figure53 : Configuration de rseau de communication profibus

Figure54 : Configuration de linstallation

Figure55 : Cration de la CPU

Figure56 : Configuration de linterface de communication

Figure57 : Connexion de la station CPS lAPI

Figure58 : Prsentation du systme de simulation

Figure59 : Configuration de la station CPS

Figure60 : Simulateur S7-PLCSIM



Get yours now!


10

Figure61 : Projet pupitre

Figure62 : Messages configurs

Figure63 : Interface du pupitre (cas1)

Figure64 : Interface du pupitre (cas2)

Figure 65: Organigramme (traitement dune variable analogique)



Get yours now!


11

Introduction gnrale La concurrence aujourdhui sest nettement intensifie sur le march international. En effet les

entreprises sont dans lobligation de chercher sans cesse satisfaire les consommateurs.

Les ples de cette comptitivit sont centrs sur lamlioration continue de la qualit de leurs produits

et de la vente de ces derniers aux prix le plus bas possible [OLI 2007].

Les entreprises industrielles ptrolires font partie de cet ensemble conurent. Elles doivent rpondre

aussi aux mmes exigences pour satisfaire leurs clients. Mais cela nest pas suffisant car elles doivent

apprendre ragir dans un environnement trs volutif bas sur les dernires technologies.

Cet environnement doit tre aussi le plus sr et rpondant aux exigences en matire de scurit

humaine et matrielle [VIL 1988].

Ces exigences constituent depuis de nombreuses annes des proccupations Sonatrach, la compagnie

algrienne de recherche, dexploitation, de transport par canalisation, de transformation et de

commercialisation dhydrocarbures, est actuellement la 12me plus grande compagnie ptrolire dans

le monde.

Cette entreprise ne cesse de chercher les dernires technologies pour garantir une meilleure production

qui rpond aux normes internationales.

Le deuxime objectif trac par cette socit cest daboutir zro accident, c'est--dire amliorer la

scurit du personnel et assurer une fiabilit et disponibilit accrue des outils de production.

Pour atteindre ces objectifs plusieurs projets ont t labors avec des entreprises internationales telles

que SIEMENS dont le but est la modernisation des installations industrielles.

Parmi les plus grands projets, lautomatisation des tches de production propose par la socit

SIEMENS. Aprs tude et inspection des installations, les experts ont labor un cahier de charge qui

dfinit les besoins de lentreprise et ses objectifs.

La solution obtenue tait le dveloppement des automates APIs automates programmables

industriels qui permettent le contrle et le diagnostic des installations de production.

Ils apportent des solutions des problmes de nature technique, conomique et humaine. Ils permettent

de :

Amliorer la productivit en asservissant la machine des critres de production, de rendement

et de qualit.

Piloter une production variable, en facilitant le passage dune production une autre.

Renforcer la scurit en surveillant et contrlant les installations et les machines



Get yours now!


12

Mais les systmes sont en effet devenus de plus en plus complexes avec lintroduction des

microprocesseurs diffrents niveaux et linformation hirarchise et distribue. De ce fait, cette

volution a compliqu la tche de diagnostic des installations industrielles.

Contexte et problmatique de la thse

Il devient ncessaire pour lentreprise de garantir que ces automates assurent un bon fonctionnement

du procd. Autrement dit les programmes dploys doivent tre fiables et performants car un

dysfonctionnement rduisant mme momentanment la production est trs coteux.

Dautre part une modification au niveau du programme pour dfinir des nouveaux besoins et

ncessitant lappel au fournisseur est aussi trs couteuse

Compte tenu des difficults inhrentes la tche des automates, laide informatique est donc

indispensable.

Approche propose

Le travail de recherche ralis durant ces deux annes de thse a eu pour but de proposer une solution

qui est la conception dun Automate Programmable Industriel Virtuel APIV, dont le comportement

peut tre trs proche de lautomate rel, moindre cot et sans risque.

A partir de ce nouveau systme on peut simuler le fonctionnement de lautomate afin de tester et

valider le programme dploy et sassurer quil peut sexcuter sans erreurs.

Cette solution nous donne aussi la possibilit dintgrer des sous programmes qui dfinissent des

nouveaux besoins.

Plan de la thse

Lorganisation de la prsente thse suit la dmarche adopte lors de la ralisation de notre travail:

Nous rappelons dans le premier chapitre des terminologies adoptes aux diffrents termes lis au

diagnostic et la surveillance des systmes industriels. Nous dressons ensuite un tat de lart en matire

des Automates Programmables Industriels API. Nous dfinissons ce systme ainsi que ses fonctions et

prsentons sa structure. Nous dcrivons par la suite les principaux langages utiliss pour dvelopper

les programmes dploys dans lautomate. Ltude de la fonction de contrle commande de lAPI est

aborde aussi, nous prsentons les principales architectures de cette fonction. Les tapes de conception

de lautomate sont tudies dans ce chapitre. Nous parlons aussi de limportance de la simulation dans



Get yours now!


13

le processus de conception de ce systme. Nous dfinissons ses tapes et prsentons les critres quil

faut respecter pour avoir une bonne simulation.

Pour le deuxime chapitre, en premire partie dtailler lenvironnement de notre tude, prsenter la

socit complexe GP2Z o notre tude t mene : expliquer comment le gaz est trait et

achemin entre les diffrentes stations (quipements) de linstallation, et enfin prsenter lquipement

concern par notre tude qui est le compresseur.

Nous expliquons aussi comment le fonctionnement de cet quipement a t automatis par la socit

SIEMENS en collaboration avec les automaticiens de la socit.

En deuxime partie de ce chapitre nous donnons la dmarche quon a adopte pour concevoir notre

systme. Elle est compose de cinq tapes.

La premire tape est la subdivision du procd compresseur qui consiste le dcomposer en

parties plus simple afin de faciliter la modlisation de son fonctionnement. Dans la deuxime tape

nous dcrivons les diffrentes zones fonctionnelles de lquipement, puis nous prsentons ses

exigences en matire de scurit dans ltape trois. Dans ltape quatre nous abordons une tude

approfondie du systme de contrle et commande requis.

Nous prsentons dans la premire partie du chapitre trois les diffrents outils quon a choisis pour

concevoir notre systme. Nous utilisons le GRAFCET pour modliser le fonctionnement de lAPI, le

STEP7, le langage CONT qui reprsentent la plate forme de dploiement du programme de lautomate

et le S7-PLCSIM, Protool comme outils de simulation.

Nous prsentons dans la deuxime partie notre travail qui sinscrit dans une perspective globale

consistant concevoir un automate programmable industriel virtuel qui permet de reprendre et simuler

le fonctionnement de lautomate rel. Nous donnons dans un premier temps trois modles grafcet qui

dcrivent le dmarrage, le fonctionnement et larrt du compresseur, ensuite, nous dcrivons les tapes

dinstallation du logiciel STEP7, la configuration du projet, et le chargement du programme de

lautomate vers la station. Une fois la plate forme est prte, nous choisissons une variable critique

temprature du moteur du compresseur , on simule une dviation anormale de sa valeur prsente

sous diffrents tats tat critique, tat dangereux, etc.. et on observe si le programme dtecte ces

anomalies. Le pupitre est aussi simul afin de sassurer que ces diffrents tats sont affichs

loprateur.

Conclusion et perspectives

Enfin, la dernire partie de ce mmoire est rserve la conclusion, qui est un bilan des recherches

effectues et des perspectives des travaux futurs quil convient dentreprendre.



Get yours now!


14

Introduction :

Les systmes industriels deviennent de plus en plus complexes et les demandes en termes de sret,

de robustesse, de gain de productivit et de qualit ne cessent de saccroitre. Ce dveloppement

saccompagne dune volution du processus dautomatisation [VEN 2003].

En effet, Entre les annes 1950 et 1970, grce aux progrs de llectronique et de linformatique, une

premire grande rvolution technologique mondiale sbauche : celle de lautomatisation de la

production industrielle [DUY 2008]. Cette technologie a apport de profonds bouleversements dans la

manire de concevoir et dorganiser le contrle dun processus.

Son intgration a renforc aussi le degr de fiabilit de lquipement et a offert une trs grande

adaptabilit face aux volutions de lenvironnement.

Les automates programmables industriels API reprsentent loutil de base dautomatisation des

systmes de production.

Ce chapitre a pour but de fixer les objectifs industriels. Nous prsentons dans un premier temps les

diffrentes catgories des procds industriels, puis nous positionnons lapport thorique de nos

travaux. Nous dfinissons lorigine de ce projet en prsentant le contexte industriel de ltude. Aprs

lexpression du besoin industriel, Nous prsentons tous les concepts de base utiliss dans notre travail

de recherche comme le diagnostic, la surveillance, le dfaut et la dfaillance. Un tat de lart des

diffrentes mthodes de diagnostic est ralis. Nous prsentons par la suite une tude dtaille des

automates programmables industriels API. Nous dfinissons ce systme, ses fonctions et prsentons sa

structure. Ltude de la fonction de contrle commande de lAPI est aborde aussi, nous prsentons les

principales architectures de cette fonction. Les tapes de conception de lautomate sont tudies dans

ce chapitre. Nous parlons aussi de limportance de la simulation dans le processus de conception de ce

systme. Nous dfinissons ses tapes et prsentons les critres quil faut respecter pour avoir une bonne

simulation.



Get yours now!


15

I. Procds industriels:

Les procds industriels sont multiples mais appartiennent gnralement aux trois catgories :

procd continu, discontinu et discret [SUB 2005].

Les procds continus ont une phase principale de production longue par rapport aux phases de

dmarrage et darrt (raffinage ptrolier). La matire premire entre dans lunit et le produit fini en

ressort sans discontinuit.

Les procds discontinus oprent selon un cycle au cours duquel des quantits dtermines de matire

sont transformes en produit fini (chimie, agro-alimentaire, etc.).

Les procds discrets utilisent et laborent des lments de matire. Cest par exemple le domaine de

fabrication mcanique par assemblage ou transformation successive et de la construction (automobile)

[CAR 2007], [SIL 2002].

II. Contrle des procds industriels:

Le contrle est un concept de sens commun. On en trouve des exemples dans le monde naturel, dans le

monde vivant entre autre (par exemple la rgulation de la temprature du corps humain) [REI 1987].

Le contrle industriel est n la fin du 19 me sicle dont lobjectif tait de dvelopper

scientifiquement une nouvelle technique pour chaque aspect de la tche dun travailleur, pour

remplacer la mthode utilise traditionnellement, autrement dit remplacer lhomme pas des machines

[ZWI 1995].

Il joue un rle primordial dans laugmentation de la disponibilit des installations industrielles,

rduisant ainsi les cots directs et indirects de la maintenance des quipements de production.

Les cots directs de cette maintenance sont ceux relatifs aux diverses pices de rechange, main

duvre, etc. Par contre, les cots indirects sont essentiellement dus au manque gagner engendr par

un arrt de la production [CHA 1997].

Trois entits distinctes sont dfinies dans lindustrie [TRO 2000]:

1- Les hommes (ingnieurs, techniciens, oprateurs).

2- Les systmes de contrle (automate programmable).

3- Les procds (les quipements de production).

Entre chaque entit, il existe des interfaces permettant dchanger les informations. Il existe trois

interfaces [MOU 2005]:



Get yours now!


16

Linstrumentation : Communication entre le systme de contrle et les quipements de production

travers les capteurs (capteurs de temprature, pression, dbit, etc..) et les actionneurs (vanne.

Moteur, etc..).

L'Interface Homme Machine (IHM ou HMI en anglais) : Systme de supervision permettant de

surveiller et de diagnostiquer ltat des quipements mais aussi dagir sur eux en dialoguant avec

le systme de contrle, connue aussi sous le nom pupitre [VER 1986].

L'interface locale : Interaction physique directe entre les hommes et les machines en cas

dopration manuelle ncessaire sans avoir recours au systme de contrle (ex : ouverture dune

vanne la main).

Le systme de contrle peut alors tre divis en 3 couches distinctes [BOU 2009]:

a) Couche de terrain : Systme de communication avec le procd. Cette communication se fait

gnralement par le biais de bus de terrain (un rseau robuste adapt au milieu industriel pour

dialoguer avec les capteurs et les actionneurs).

En effet depuis quelques annes la technologie de bus de terrain t largement exploite pour le

contrle distance des stations de production. Cet ainsi que ds 1994 les automates programmables

furent reconfigurs pour supporter lintgration du bus de terrain Profibus. Ce rseau permet, grce

des mcanismes de transmission des donnes standardises, dtablir la communication entres

diffrents automates programmables, des capteurs, actionneurs et les consoles de supervision [SIM

A10]. Il permet aussi lopration multi-matre ou matre-esclave.

b) Couche de contrle : Contient la logique de fonctionnement du processus pour le piloter. Cest ici

que toute la connaissance est stocke et que les calculs sont effectus [LAM 2004],

gnralement par des PC industriels ou des Automates Programmables Industriels (API ou PLC en

anglais). En gnral, cest un algorithme informatique qui est excut de manire cyclique en temps

rel. Cet algorithme lit les donnes du processus (entres) et calcule la position des diffrents

actionneurs (sorties) pour piloter le processus.

c) Couche de supervision : Permet de raliser lInterface Homme-Machine. En gnral les oprateurs

agissent et surveillent les installations via des terminaux de supervision comme des ordinateurs ou

des crans tactiles relis au systme de contrle via un rseau Ethernet [COM 2002].



Get yours now!


17

Nous nous intressons dans notre tude la deuxime couche : couche de contrle reprsente par les

automates programmables industriels API.

Avant dentamer ltude de ce systme, il semble intressant dans un premier temps de rappeler les

diffrentes terminologies lies au diagnostic, surveillance, dfaillance, dfaut et panne.

Le principe gnral dun systme de contrle consiste vrifier la cohrence entre un comportement

observ et un comportement attendu, connu sous le nom diagnostic [DAG 2009].

III.1 Diagnostic : Le terme diagnostic provient du grec dignosis, form par le terme gnosis, qui

signifie connaissance ou encor dcernement , auquel est ajout le prfix dia synonyme de

travers . Le terme diagnosis dsigne alors lacquisition de la connaissance travers des symptmes

observables [BRU 1990].

Le diagnostic dun procd signifie simplement la dtermination de ses composants dfaillants partir

des dfauts dtects. On distingue gnralement trois tapes : dtection, localisation et lidentification

[CAR 2006].

La dtection de dfauts consiste signaler la prsence dun dfaut, c'est--dire dterminer

si ltat courant du systme et de ses lments est normal ou anormal, en signalant toute

dviation par apport au fonctionnement attendu.

La localisation : Il sagit de localiser le soussystme affect par le dfaut dtect,

responsable de la dfaillance du systme. La localisation consiste, en effet remonter les

symptmes pour trouver lensemble des lments dfaillants.

Lidentification a pour objet de caractriser le dfaut en dure et en amplitude afin den

dduire sa svrit.

On peut dfinir aussi le diagnostic comme une Estimation dun tat ou dune situation daprs

lanalyse de ses donnes (observables) .

III.1.1 Mthodes de diagnostic :

Dans la littrature, il existe de nombreuses mthodes utilises dans le processus de diagnostic. Ces

mthodes sont regroupes en deux grandes familles [BER 1995] :

Les approches avec modles regroupent toutes les mthodes de diagnostic de dfaut qui se

basent sur ltude et lanalyse de modle. Il existe deux catgories de mthode de diagnostic

par modles : Diagnostic par modlisation fonctionnelle et diagnostic par modlisation

physique. La premire catgorie concerne les systmes dcrits de faon fonctionnelle : les

arbres de dfaillance classiques ou dynamiques. La deuxime catgorie regroupe les techniques

qui sappuient sur les quations rgissant les phnomnes physiques du procd. Le principe



Get yours now!


18

gnral de ces mthodes consiste comparer les mesures effectues sur le systme rel aux

informations fournies par le modle dcrivant le comportement entre/sortie du procd.

Les approches de diagnostic sans modles, dites de reconnaissance des formes ou systme

expert sont lensemble de techniques dapprentissage automatique qui ont pour rle de classer

des vnements en se basant sur des connaissances priori. Ces techniques sont regroupes en

trois catgories : approche floue, approche neuronale et approche probabiliste.

La figure suivante reprsente une synthse sur les diffrentes mthodes de diagnostic :

Figure1 : Mthodes de diagnostic

III.2 La dfaillance se rapporte une anomalie fonctionnelle, ladjectif dfaillant est employ pour

qualifier un systme physique ou un composant dont une ou plusieurs fonctions sont altres. Nous

qualifions de dfaillant un systme physique ou un composant qui prsente une anomalie fonctionnelle

[KEM 2004].

En cas de cessation fonctionnelle, le terme panne est utilis, c'est--dire l'inaptitude d'un composant

accomplir sa fonction [ROU 2003].

III.2.1 Consquences dune dfaillance :

Les consquences dune dfaillance sont regroupes en quatre grandes familles selon [MOU 2002].

Les consquences oprationnelles impliquent non seulement un cot direct li aux actions de la

maintenance mais aussi des pertes conomiques indirectes dues larrt du systme. Contrairement

Diagnostic

Diagnostic avec modles

Diagnostic sans modles

Diagnostic par modlisation fonctionnelle

Diagnostic par modlisation

physique

Reconnaissance de forme

Systme expert



Get yours now!


19

la premire catgorie, les consquences non oprationnelles impliquent seulement le cot direct de la

maintenance. Les consquences indirectes impliquent lexposition des possibles dfaillances

multiples rsultant dune dfaillance non dtecte. Les dfaillances, qui engendrent ce dernier type de

consquence, sont les plus dangereuses car elles peuvent aboutir une perte du systme voir de son

environnement.

Cette classification met en vidence le fait que la dcouverte tardive dune dfaillance peut induire un

risque technique lourd de consquences, et entraner des surcots importants, contribuant la

dgradation de limage de marque de lentreprise.

Lapparition du risque peut conduire dsormais la mise en cause de la scurit des personnes et des

biens, ainsi qu la dgradation de lenvironnement. Lidentification prventive des dfaillances est

alors un besoin primordial pour le contrle de squence.

III.3 Le dfaut est un cart entre un comportement attendu et un comportement observ [JAU 1991].

Un systme dfaillant (qui subit un dfaut) est incapable daccomplir correctement sa ou ses fonctions

avec les performances requises. La notion de dfaut est donc voisine de celle de dfaillance. Toutefois,

un dfaut n'implique pas ncessairement une dfaillance mais il en est la cause.

Nous distinguons trois types de dfauts:

Les dfauts dactionneurs

Les dfauts des procds

Les dfauts des capteurs

Lestimation de limportance dun dfaut est cruciale, puisquelle dcide si larrt de la production doit

tre effectue immdiatement ou attendre un certain temps. Une chelle de svrit a donc t

propose [BRU 1990].

i. Dfaut naissant : Lapparition dun dfaut naissant est progressive et caractrise par une

amplitude croissante. Il correspond des drivs souvent dues lusure ou au vieillissement.

ii. Dfaut fugitif : Il est souvent dsign comme un dfaut ponctuel ou passager. Il se caractrise

par une dure brve et un cart significatif de la sortie du systme par rapport la rfrence.

iii. Dfaut permanant : Ds son apparition, il sinstalle dans le systme pendant une dure infinie.

Il subsiste du moment quaucune action de maintenance na t ralise.

iv. Dfaut catastrophique : Ce type de dfaut entrane la panne de systme.



Get yours now!


20

III.4 Symptme : Un symptme est un phnomne (caractre) qui rvle un trouble

fonctionnel. Les alarmes sont des symptmes de comportement anormal souvent utiliss pour

faciliter la surveillance.

Le diagnostic constitue donc ltape dune procdure plus complte que nous dsignons sous le nom de

surveillance.

III.5 La surveillance dun procd regroupe lensemble des traitements temps rel des dfaillances du

procd. Il sagit de dtecter tous les comportements anormaux et deffectuer un diagnostic [BAS

1996].

Elle seffectue par lacquisition des mesures sur le site et leurs transmissions jusqu' la salle de contrle

o elles seront visualises par loprateur.

Un systme de surveillance a comme premire vocation dmettre partir des informations gnres

pas les capteurs, des alarmes dont lobjectif est dattirer lattention de loprateur de supervision sur

lapparition dun ou plusieurs vnements susceptibles daffecter le bon fonctionnement de

linstallation, comme le dplacement dun seuil de scurit au niveau du remplissage dun rservoir

[ZAM 1997].

Dans quelques situations mme loprateur le plus expriment et le plus qualifi commis des erreurs

en prenant des dcisions inappropries, cette situation est due la fatigue de loprateur, aux nombres

impressionnants dalarmes qui surviennent en mme temps et que loperateur est incapable de grer ou

tout simplement par une mauvaise interprtation de sa part.

A fin de faire face ce dfit, la communaut Automatique a consacr un bon nombre de travaux pour

lautomatisation de la surveillance des procds en utilisant un systme automatique automate

permet de fournir loprateur une aide dans la gestion de ses tches dalarmes urgentes dans le but de

faire augmenter la fiabilit et la sret de fonctionnement des prcds industriels.

III.6 Lautomatique : Est la fois une science et une technique qui tudie les mthodes scientifiques

et les moyens techniques pour la conception et la ralisation des systmes automatiss [DUY 2008].

III.7 Lautomatisation : Est lexcution automatique dune tche domestique, industrielle,

administrative ou scientifique sans intervention humaine [VRI 2005]. Une autre dfinition,

Lautomatisation est considre comme ltape dun progrs technique o apparaissant des

dispositifs techniques susceptibles de seconder lhomme, non seulement dans ses efforts musculaires,

mais galement dans son travail intellectuel de surveillance et de contrle. Encyclopdie



Get yours now!


21

III.8 Automatiser un processus: Faire voluer ses sorties en fonction des entres. La sortie volue

rapidement et prcisment [CHA 2010].

III.9 Lautomate : Est une machine lectronique programmable par un personnel non informaticien et

destin piloter en ambiance industrielle et en temps rel des procds industriels [AZA 2007].

Il assure les rles suivants :

Raliser des oprations trop complexes ou dangereuses et ne pouvant tre confies l'homme.

Substituer l'homme dans les oprations rptitives ou pnibles.

Accrotre la prcision.

Accrotre la rentabilit et la productivit par la diminution de la main-d'uvre.

Parmi les autres rles de lautomate : Le contrle et commande des processus industriels laide des

systmes numriques de traitement dinformation.

Le contrle dcrit la possibilit dobserver le mode environnement ( laide des capteurs, des

interrupteurs, des boutons poussoir, etc..) [BER 2009]. Lenvironnement peut tre analogique ou

logique.

La commande reflte le fait que sur la base dinformations rcoltes on aimerait avoir la possibilit de

la prise de dcision et de laction (commande des relais, des moteurs).

Ce type dautomate est appel API : Automate Programmable Industriel ou PLC : Programmable

Logic Controller.

Le rle de la commande est de faire excuter un ensemble d'oprations au procd en fixant des

consignes de fonctionnement en rponse des ordres d'excution. Il peut s'agir de raliser [VIL 2002]:

Une squence d'opration constituant une gamme de fabrication dans le but de fabriquer un

produit en rponse une demande client.

Une squence d'actions correctives destines rendre au systme de production toutes ou partie

des fonctionnalits requises pour assurer sa mission.

Des actions prioritaires et souvent prdfinies sur le prcd dans le but dassurer la scurit des

installations et du personnel.

Des oprations de test, de rglage ou de nettoyage permettant de garantir que le systme de

production pourra continuer dassurer sa mission.

Dans cette dfinition, la commande regroupe toutes les fonctions qui agissent directement sur les

actionneurs du procd.



Get yours now!


22

III.10 Architecture de la commande du systme de production :

Une architecture de commande dcrit comment les diffrentes fonctions du systme de commande sont

rparties entre les lments qui composent ce systme [DIL 1991]. Autrement dit, larchitecture dcrit

lorganisation du systme de commande partir des composants ddis la commande (API, panneau

de contrle, etc.) .Lefficacit des dcisions prises par le systme de commande pour satisfaire les

requtes de production et optimiser les performances du systme dpend fortement de larchitecture

[LEF 2000].

Nous citons Deux principaux types darchitectures : architecture centralise et architecture

hirarchique.

III.10.1 Architectures centralises : Les premiers types darchitectures utilises pour organiser un

systme de commande ont t les architectures dites centralises. La notion de centralisation est utilise

pour indiquer quune seule unit de commande est responsable de toute prise de dcision dans le

systme de commande et pour mentionner la concentration de linformation au sein de cette seule unit.

Cette dernire organise et cordonne tout ce qui se rfre la production par lenvoi des ordres aux

actionnaires. Cette unit reoit aussi les informations en provenance des capteurs du procd pour

ensuite la prise de dcision. La figure suivante reprsente une architecture centralise de la commande

[MAR 2008].

Figure2 : Architecture centralise

Panneau de contrle 1

Unit de commande

Panneau de contrle 2

Capteur1

Actionneur1

Capteur3 Capteur4 Capteur2

Actionneur2



Get yours now!


23

Les principaux avantages que peut offrir cette architecture sont :

Moindre lments sont ncessaires pour organiser et coordonner le systme de

production.

Linformation sur ltat global du systme est concentre dans une seule unit.

Les inconvenants sont:

Temps de rponse trs long quand le systme est compos dun grand nombre de

ressources.

Trs peu de tolrance aux dfaillances, car si lunit de contrle tombe en panne tout le

systme tombe en panne.

III.10.2 Architectures hirarchiques : Ce type darchitecture est caractris par une forme

pyramidale o les diffrents niveaux ont leurs propres objectifs et fonctions. Larchitecture est

compose par diffrentes units de contrle organises en diffrents niveaux. Toutes les activits de

contrle dun niveau inferieur sont dictes par le niveau suprieur. Le niveau le plus haut de la

hirarchie est compos dune seule unit de contrle qui formule les objectifs et les stratgies globales.

Les dcisions de contrle agrges suivent un flux descendant dans la structure. Ces dcisions sont plus

affines et dtailles dans les niveaux bas de la hirarchie [BOU 2003]. La figure suivante reprsente

cette architecture.

Figure3 : Architecture hirarchique

Unit de commande

centrale

Unit de commande1

Unit de commande2

Unit de commande4

Unit de commande5

Unit de commande6

Unit de commande3

Capteur1 Capteur2 Actionneur2 Actionneur1 Capteur3



Get yours now!


24

Cette architecture offre les avantages suivants :

Moins de temps de rponse par rapport larchitecture centralise.

Les relations entre les units de contrle adjacentes sont faciles comprendre.

La redondance peut tre incorpore en intgrant dautres contrleurs larchitecture dans le cas

de la dfaillance dune unit de contrle.

Les principaux inconvenants sont :

Les modifications du software et hardware non prvues affectent tous les niveaux de la

hirarchie cause des ses interdpendances.

La dfaillance dune unit de contrle paralyse toutes les units des niveaux inferieurs qui

dpendent delle.

Nous abordons dans ce qui suit une tude dtaille du systme de commande : API.

IV Automate programmable industriel (API):

IV.1 Dfinition: LAPI est une machine lectronique adapte lenvironnement industriel. Il envoi

des ordres vers les actionneurs partir des donnes d'entre des capteurs (partie oprative) et d'un

programme informatique (partie commande) [BER 2005].

La structure gnrale dun systme automatis est prsente comme suit [MER 2002]:

I.V.2 Structure des systmes automatiss :

Figure4 : Structure du systme automatis

A : Interface dentre B : Interface de sortie

Sortie (ordres)

A B

C D PC PO

Programme de lautomate

Entres mesures



Get yours now!


25

C : Actionneurs D : Capteurs

Partie oprative : Agit sur le procd industriel afin de lui donner sa valeur ajoute. Elle est divise en

deux :

Lensemble des capteurs qui donnent les informations la partie commande sur ltat du processus.

Lensemble des actionneurs qui reoivent les ordres labors par la logique de la partie commande.

Partie commande : Cordonne la succession des actions sur la partie oprative avec la finalit dobtenir

cette valeur ajoute.

Poste de contrle : Compos des pupitres de commande et de signalisation, il permet loprateur de

commander le systme (marche ou arrt) et de visualiser les diffrents tats du systme laide de

voyants.

IV.3 Fonctions de lautomate :

Phase1: Acquisition des entres.

Durant cette phase, Les signaux appliqus linterface dentre de lAPI sont copis en mmoire MIE

(Mmoire Intermdiaire dentre) dans des emplacements accessibles au programme et qui

correspondent aux variables dentre. Les variables dentre sont uniquement accessibles en lecture.

Leurs valeurs resteront ainsi inchanges lors des deux phases suivantes du cycle. En dautres termes, au

moment dacquisition des entres, lAPI prend une photo de lenvironnement physique [3].

Phase2 : Traitement des donnes.

Lecture du programme et calcule des nouvelles valeurs de la variable de sortie.

Phase 3: Emission des ordres

Lecture des variables de sortie dans la MIS et les transfrer vers le module de sortie pour pouvoir tre

appliques aux actionneurs.

La MIE (Mmoire Intermdiaire des Entres) : Est une mmoire temporaire qui reoit les

donnes dentres transmises par linterface dentre.

La MIS (Mmoire Intermdiaire des Sorties) : Reprsente aussi une mmoire temporaire qui

contient les donnes traites (rsultat) avant de les transmettre vers la sortie



Get yours now!


26

Figure5 : Fonctions de lautomate

Deux types dinformations sont traits par lautomate :

Tout ou rien (TOR) : Linformation ne peut prendre que deux tats (vrai/faux 1/0).

Analogique : Linformation est continue et peut prendre une valeur comprise dans une plage bien

dtermine (voir plus de dtail dans le chapitre2).

Larchitecture de lAPI est prsente comme suit [CHA 2002] :

Figure6 : Architecture de lautomate

Sorties (Ordres)

Traiter les informations entrantes pour mettre des ordres de sorties en fonction dun programme.

Informations dentre

Capture des grandeurs physiques

Actions sur le procd

API

Procd Actionneurs

Practioneur

Processeur Module Module Dentre Mmoire centrale de Sortie Alimentation Module priphriques

Capteur

Procd



Get yours now!


27

A partir de ce schma on peut dfinir les principaux composants de lAPI :

Module dalimentation : Assure la distribution dnergie aux diffrents modules. Le module est

aliment 240V.

Unit centrale : base de microprocesseur, son rle consiste organiser les diffrentes relations entre

la zone mmoire et linterface dentre/sortie et dautre part grer les instructions de programme,

raliser toutes les fonctions logiques, arithmtiques et le traitement numrique.

Processeur : Cur de lappareil dans lunit centrale.

Module dentres/sorties : Il assure linterface de la partie commande.

Interface dentre : Comporte des adresses dentre, une pour chaque capteur reli et permet de

recevoir les informations du pupitre. Il existe deux types dinterfaces dentre [2] :

a- Interface tout ou rien (TOR) : partir dun signal quelconque en entre, les interfaces

fournissent en sortie deux tension 0V ou MAX V (MAX= 5 /10 /24 V). Ces interfaces sont

de type contacte.

Figure7 : Interface dentre tout ou rien

b- Interface analogique : Linterface reoit des signaux issus des capteurs pour les rendre

compatibles avec lunit de traitement. La variation de la grandeur dentre est convertie

en une variation :

- En une tension de 0 24 V.

- En une intensit de 0 20 AM, ou de 4 20 AM.



Get yours now!


28

Figure8 : Interface dentre analogique

Interface de sortie : Permet de commander les divers actionneurs et lments de signalisation de

lAPI. Il existe deux types aussi :

a- Interface de sortie tout ou rien : La donne de sortie de lunit de traitement par cette

interface est de type tout ou rien.

Figure9 : Interface de sortie tout ou rien

b- Interface de sortie analogique : Les conventions digitale/ analogique ont pour fonction de

gnrer un signal analogique normalis (0 10V, 0 20AM) partir dune information

numrique, dlivre par lunit de traitement et code en binaire.



Get yours now!


29

Figure10 : Interface de sortie numrique/ analogique

Les cartes dentre/sortie ont une modularit de 8, 16, 32 voies. Elles admettent ou dlivrent des

tensions continues de 0-24 V.

Mmoire : RAM (Random Access Memory) qui permet de :

Stocker les informations temporaires d'tats et de calcule, en particulier des images des

entres/sorties.

Stocker le programme utilisateur: Programme de logique de contrle.

L'automate dispose aussi de ROM Read Only Memory ou PROM Rom Programmable qui

permettent de stocker le systme dexploitation, le programme et les donnes systme lors du

fonctionnement de RAM.

Ces quatre composants sont relis entre eux par des bus ensemble cbl autorisant le passage

dinformation entre ces quatre secteurs de lAPI .

Le programme de logique de contrle (programme charg dans lautomate) assure trois tches

principales (voir plus de dtail dans le chapitre2):

1- Lacquisition des donnes dentres (mesures par les capteurs).

2- Le traitement des donnes.

3- Laffectation des valeurs de sortie (ordres aux actionneurs).

Le temps dun cycle dAPI varie selon la taille du programme, la complexit de calcul et de sa

puissance. Le temps du cycle est gnralement de lordre dune vingtaine de millisecondes [GAI

2003].

Quest ce quun capteur/actionneur ?

Capteur : Prlve des informations sur ltat du systme ou de son environnement et les codent afin de

les rendre exploitables par le systme de commande [1].

Donne de sortie



Get yours now!


30

Actionneur : Qui convertit lnergie reue en nergie mcanique et permet dassurer lvolution du

procd dans le sens souhait en agissant sur un composant du procd [4].

Le programme est ralis avec un ordinateur compatible partir dun systme dexploitation Windows

et un logiciel de construction qui peut tre :

PL7 : Permet de programmer lapplication dans diffrents langages : schma contact

leader, liste dinstructionetc.

A laide dun logiciel dassistance de programmation : Permet la saisie directe partir

dun schma lectrique ou dun grafcet et traduit automatiquement le cycle raliser en

code instruction de lautomate slectionn.

A laide dune console de programmation spcifique lautomate.

Une fois la programmation termine, le programme est transfr de lordinateur vers la mmoire de

lautomate en utilisant une liaison srie entre lautomate et lordinateur ou un cble spcifique lors de

lutilisation de lordinateur [SIM A1].

Nous dtaillerons dans le dernier chapitre comment relier une station de traitement (station CPS)

lAPI et comment charger et transmettre le programme de contrle celle ci.

L'une des particularits des API est de se programmer dans des langages spcifiques adapts leur

champ d'activits. Nous citons dans ce qui suit les langages les plus utiliss [DUY 2008].

1- Liste d'instructions (Instruction List- IL): C'est un langage textuel, qui rappelle par certains

aspects l'assembleur employ pour la programmation des microprocesseurs. Une instruction dbute

sur une ligne, comporte un oprateur et un ou plusieurs oprandes.

On peut introduire des tiquettes et des commentaires. La structure des champs est donc la suivante:

Nous prsentons dans ce qui suit les principales instructions utilises dans ce langage :

Dsignation Fonctions

LD Le rsultat est gal loprande (load : lire la valeur)

LDN Le rsultat est gal linverse de loprande (contacte ouverture)

Etiquette Oprateur Oprande Commentaire



Get yours now!


31

AND ET logique entre le rsultat, le prcdent et ltat de loprande

ANDN ET logique entre le rsultat, le prcdent et ltat inverse de loprande

OR OU logique entre le rsultat, le prcdent et ltat de loprande

ORN OU logique entre le rsultat, le prcdent et ltat inverse de loprande

XOR/XORN OU exclusive

Ladresse ou le code oprande est prcd par %

On peut donner lexemple suivant :

LD %I0,01 tester lentre dadresse I0.01

AND % I0,02 ET entre lentre I0.01 et I0.02

ST % O0.01 donner le rsultat logique du ET la sortie O0.01

2- Langage contacts (LD ladder diagram : CONT): Trs utilis en milieu industriel, il utilise une

forme graphique, do son appellation de schma contacts (appel diagramme relais).

Nous tudierons en dtail ce langage dans le dernier chapitre.

3- Langage logigramme (LOG) : Cest un langage graphique, utilisant les symboles de

llectronique numrique. Lditeur logigramme permet de visualiser les oprations sous forme de

botes logiques ressemblant des schmas de porte logique courants. Il nya pas de contacts ni de

bobines comme dans lditeur CONT, mais des oprations quivalentes existent sous forme de

bote doprations. La logique du programme est drive des connexions entre ces botes

doprations : On peut utiliser la sortie dune opration pour en valider une autre afin de crer la

logique de commande ncessaire. Ce concept de connexion permet de rsoudre aisment un large

ventail de problmes logiques.



Get yours now!


32

IV.4 Etapes de conception dun automate :

Pour concevoir un systme de contrle-commande, les experts en collaboration avec les automaticiens

et les dveloppeurs suivent une dmarche qui dbute par un cahier de charge jusqu' la conception de

lautomate [ELK 2009].

Nous jugeons ncessaire dtudier et prsenter cette dmarche qui va nous aider par la suite la

conception de notre systme.

1- Le cahier des charges est constitu dune suite de phrases dcrivant le fonctionnement dsir

du systme. Cest la premire tape de la conception dautomate.

2- La deuxime tape est la spcification globale reprsente une description de haut niveau du

fonctionnement global du procd. Cette tape montre aussi les interactions entre les diffrents

composants.

3- Ltude du systme : A ce niveau, chacun des composants numrs dans ltape prcdente est

dcrit en dtail. Les entres/ sorties sont aussi dfinies dans cette tape.

Une chose doit merger lors de cette tape : Le modle fonctionnel topologie du procd,

montrant comment le travail doit tre fait et dans quel ordre, ainsi quune estimation plus

prcise de la charge de travail induite par la ralisation de chacun des modules.

4- Configuration du matriel : Choix de la CPU, mmoire, cartes dentre/sortie et le bloc

dalimentation selon les besoins dfinis dans les tapes prcdentes.

5- Ralisation du grafcet du systme : deux modles sont dfinis :

Grafcet de la partie oprative : Ici nous sommes la place dun technicien de

maintenance qui souhaite assister la conception dun systme automatis avec un

fonctionnement prcis. Il connait le fonctionnement du systme automatiser mais

pas la technologie qui va tre employe.

Grafcet de la partie commande : Dans ce cas nous sommes le concepteur qui connait

la technologie du systme, pouvant dfinir les lments commander.

6- Le dveloppement du programme dautomatisme : En se basant sur les modles dvelopps

dans ltape prcdante. Le concepteur ralise le programme dautomatisme implmenter dans

lautomate pour piloter le procd.

7- Teste et validation (simulation de fonctionnement).

8- Linstallation et le placement de lautomate sur site.



Get yours now!


33

Ltape7 est la phase la plus dlicate dans tout le processus de conception de lautomate. En effet les

constructeurs sont dans lobligation davoir une vision plus gnrale de lenvironnement du procd, des

perturbations qui peuvent survenir ainsi que les diffrents tats que peut prendre le procd industriel.

Ces cas doivent tre simuls pour voir si lautomate ragit correctement (selon les spcifications dfinies

dans le cahier de charge) avant de le faire fonctionner, car un disfonctionnement mme minime peu

causer des catastrophes humaines et matrielles.

Pour aboutir une simulation intressante, il faut tester un nombre suffisant de scnarios afin de les

comparer et de retenir le plus intressant. Donc la simulation est une dmarche par induction (tude des

cas particuliers afin daboutir une conclusion, la plus gnrale possible). Nous dfinissons la

simulation selon certains auteurs dans le paragraphe suivant.

V. Dfinition de la simulation :

La simulation consiste construire un modle dun systme, conduire des exprimentations sur

celui-ci et interprter les observations dans le but de prendre une dcision. Elle permet de comprendre

le fonctionnement du systme, de comparer des configurations dans le but damliorer les

performances globales [DRA 2009].

Si on simplifie suffisamment le systme considr, sous certaines hypothses, on peut avoir des

quations permettant dobtenir les performances dsires. Si on ne peut laborer ces quations cause

de la complexit du modle, il ne reste plus qu recourir la simulation.

V.1 Domaines dapplication :

Historiquement les premiers simulateurs ont t invents pour la formation moindre cot

des pilotes davion. Lindustrie ptrolire faisait galement partie de ce domaine.

Dune manire gnrale, le concepteur proposant des solutions priori peut souhaiter vouloir les

valuer. Le recours la simulation permet cette valuation.

Les domaines dapplication sont divers et varis. A titre dexemple nous citerons quelques classes

dapplications :

Gestion de production (quilibrage de lignes dassemblage, dimensionnement, valuation de

charges prvisionnelles, etc..).

Transports/Logistique (dimensionnement de flotte de transport, trafic routier, etc..).

Et bien dautres (gestion dhpitaux, domaine militaire, nuclaire, mto, jeux, etc..).

V.2 Etapes et critres de ralisation dune simulation [MAZ 2007]:



Get yours now!


34

On peut dcouper un projet de simulation avec lenchanement de phases suivantes :

Analyse

Identification du problme ;

Collecte des donnes/analyse des donnes ;

Rdaction dun dossier danalyse fonctionnelle ;

Validation.

Modlisation

Choix des entits et des attributs ;

Modlisation de lvolution de systme (rseau de ptri ou grafcet).

Identification des paramtres

Programme de simulations : Le programme de simulation peut avoir plusieurs formes, ainsi on

peut tre amen utiliser un langage de programmation ddi, par exemple langage

STEP7 SIEMENS ;

Validation et test ;

Analyse de rsultat.

Le schma suivant rsume ces tapes.

Figure 11: Etapes de simulation

Le modle nest quune approximation du systme, il est conditionn par lobjectif de ltude.

Exprimentation : Il sagit de construire des thories, ou hypothses qui prennent en compte le

comportement observ.

Analyse + modlisation

Systme rel Modle

Programme de simulation Rsultat

Modification

Exprimentation

Correction



Get yours now!


35

Avant de commencer la simulation dun systme nous devons fixer les critres pour pouvoir obtenir les

bons rsultats [MOU 2004]. Quelques critres dun bon modle de simulation sont dfinis comme suit :

Connaissance du but de la simulation ;

Comprhension parfaite du fonctionnement de systme ;

Modle complet sur les caractristiques principales (dcrit les phnomnes principaux avec

exactitude).

La modlisation du fonctionnement de systme rel est une tape importante avant la simulation. En

effet plus les modles obtenus sont proches de la ralit plus on abouti des rsultats de simulation

satisfaisants. Le choix de la mthode de modlisation est donc important et dpend de plusieurs

critres. Les plus importants sont :

Les donnes sur le systme modliser,

La complexit du systme,

La disponibilit de loutil informatique associ au modle.

V.3 Mthodes de modlisation :

Lanalyse structurelle regroupe lensemble des mthodes qui consistent simuler le comportement du

fonctionnement du systme, partir d'une modlisation faite sur son comportement. Parmi les

mthodes proposes [MIT 2007], [KAT 2004] :

Automate dtat fini

Les automates permettent de dcrire globalement le comportement dlments individuels. Dans le cas

des objets, le comportement peut se dcrire de manire formelle en termes dtats et dvnements, au

moyen dun tat reli la classe de ces objets. De faon trs informelle, un automate est un ensemble

dtats du systme , relis entre eux par des transitions qui sont marques par des symboles.

La limitation principale des automates finis est son manque dexpressivit pour rendre compte de

phnomnes parallles. Pour un grand nombre de tches, la taille de lautomate explose.

Ces limitations ont pouss lutilisation des modles plus volus tels les RdP pour fournir des

descriptions plus compactes dans le contexte de la thorie de supervision.



Get yours now!


36

Rseau de Petri

Les rseaux de Ptri furent invents en 1964 par Carl Adam Ptri. Ils constituent un modle de

comportement dun systme command, y compris dventuels tats de pannes. Cet outil utilise :

Des places (cercles), correspondant aux diffrents tats du systme modlis,

Des arcs reliant places et transitions.

Des techniques de marquages (jetons) permettent de dfinir l'tat du systme un moment

donn.

Aux transitions peuvent tre associs des conditions ou des vnements externes.

Dans de nombreuses phases d'une automatisation on peut utiliser les RdP. En effet l'automaticien est

souvent confront ces deux types de situations:

1- Concevoir un systme (tude de cahier de charge).

2- Etudier un systme existant (simuler son fonctionnement).

Dans le premier cas, les RdP facilitent la conception de l'architecture du systme, en fournissant un

outil de reprsentation graphique.

Dans le deuxime cas de figure, ils permettent de raliser un modle afin de vrifier les proprits du

systme, simuler son fonctionnement et valuer ses performances.

Mais il fallait associer une faon normalise de dfinir comment le systme de commande interagissait

avec l environnement au moyen des entres et des sorties (capteurs et dactionneurs). Il fallait donc

une norme pour linterprtation des rseaux de Petri. Cest ce qui a donn les rceptivits associes aux

transitions et les actions associes aux tapes dans le Grafcet. C'est dans cet esprit que le Grafcet a t

conu. Il est aujourd'hui largement utilis dans l'industrie.

Grafcet

Trs utilis par la communaut franaise des automaticiens. Cette mthode prend en compte

lenvironnement du systme command, c'est--dire que le systme ragit aux volutions de ses entres

et gnre des sorties qui vont modifier ltat et le comportement du systme command. Son avantage

majeur est quil exprime efficacement les phnomnes de synchronisation et de paralllisme.

Lapproche de modlisation laquelle nous nous sommes intresss dans le cadre de notre travail fait

partie de cette catgorie de mthode.



Get yours now!


37

VI Conclusion :

Ce chapitre se propose de dfinir le contexte dans lequel notre recherche se situe. Nous

Avons prsent dans un premier temps la problmatique gnrale du contrle et surveillance dans le

domaine industriel. Nous avons parl des diffrentes couches que composent le systme de contrle.

Nous avons dfini par la suite les diffrentes terminologies utilises dans notre tude.

Une tude dtaille des automates programmables industriels a t mene, Nous les avons dfini,

prsent leurs architectures et expliqu leurs fonctions. Nous avons tudi aussi la dmarche suivre

pour concevoir ces automates.

Enfin nous avons soulign limportance de la simulation dans le processus de conception de lautomate

et prsent les tapes et les critres respecter ainsi que les mthodes choisies pour avoir une bonne

simulation.

Dans le chapitre suivant nous allons prsenter lentreprise o notre tude t mene et expliquer la

dmarche suivie pour concevoir notre systme.



Get yours now!


38

I. Introduction

Ce prsent chapitre est divis en deux parties. Dans un premier temps nous procdons une

prsentation de lentreprise o notre tude a t mene. Nous donnons par la suite une description

gnrale du traitement et de cheminement du gaz dans les diffrentes stations jusqua son arriv au

procd sur lequel est base notre tude qui est le turbo compresseur. Ce procd est automatis c'est--

dire contrl et gr pas un automate API, pour cela nous allons dcrire comment la surveillance de ce

dernier t automatise.

La deuxime partie est consacre prsenter la dmarche quon a suivi pour concevoir notre systme.



Get yours now!


39

I. Prsentation de lentreprise daccueil:

La Socit National SONATRACH avec la collaboration de la socit anglaise CJB (Constrictors

John Brown) a mis le complexe GP2Z en service le 17 mars 1973 relie par la suite la branche LTH.

Il fait partie des cinq complexes de liqufaction qui sont : GL1Z, GL2Z, GL4Z, GP1Z et GP2Z.

Figure 12: Complexe GP2Z

Le complexe assure la tche de traitement du produit brut GPL achemin des gisements du sud

travers des canalisations(PIPE_LINES) pour la production du propane et du butane commercial. Le

cycle de production est dcrit comme suit :

Le GPL compos essentiellement du propane(C3H8) et du butane(C4H10), arrive au complexe sous

forme liquide la temprature ambiante et une pression gale 24 bars et subit ensuite une dtente

jusqu' 12 bars.

Aprs la dtente, le GPL passe par le coaliser pour enlever leau, puis il sera stock dans deux sphres

de stockage tampon, ayant chacune une capacit gale 1220 m3.



Get yours now!


40

Figure 13 : Sphres de stockage

Le GPL est ensuite pomp vers lunit de dshydratation o la totalit deau est absorbe afin dviter

la formation dhydrates dans les sections froides.

En utilisant les pompes de charge, le GPL dshydrat est pomp vers le dpropaniseur. La charge est

spare en deux produits, en tte de colonne le propane et en bas de colonne le butane.

Les deux produits passent dans la section de rfrigration compose darorfrigration pour baisser la

temprature des deux produits : propane et butane jusqu -40 et 12 respectivement.

Le propane est ensuite stock dans le nouveau bac de capacit 70000 m3 et le butane dans deux bacs de

capacit de 54000 m3 pour lexportation vers ltranger, tandis que le butane temprature ambiante

est destin au march national et stock dans deux sphres de capacit 1150 m3 chacune.

Figure14 : Bac de stockage



Get yours now!


41

Les vapeurs de propane formes dans le bac de stockage seront aspires et comprimes par le

compresseur, puis condenses. Le liquide de propane obtenu retourne vers le bac de stockage.

Simultanment, les vapeurs du butane du bac de stockage sont aspires et comprimes par le

compresseur, puis condenses dans les arocondenseurs de butane. Le butane liquide ainsi obtenu

retourne au bac de stockage de butane.

Le chargement dans les bateaux des deux produits propane et butane se fait laide des bras de

chargement situ au niveau de port dArzew ISP.

II.1 Traitement du GAZ :

Le mouvement du produit dans le bac 1 qui stocke le propane liqufi cre une vaporation, Les

vapeurs produites seront combines avec les vapeurs en provenance du ballon 2 afin dtre aspires

par le compresseur pour compression.

Le gaz comprim sorti du compresseur est refoul vers le condenseur 5 pour le liqufier nouveau

et lenvoyer vers le ballon 4 .

Sous leffet de la pression, le liquide propane sachemine vers le ballon 2 pour tre refoul et stock

nouveau dans le bac 1 par le biais des pompes.

La figure suivante montre le cheminement et le traitement du gaz dans les diffrentes stations.



Get yours now!


42



Get yours now!


43

1- Back de stockage du produit propane.

2- Ballon stock le propane.

3- Compresseur cooper.

4- Ballon stock le propane.

5- Condenseur.

6- Propane tat gaz.

7- Propane comprim.

8- Propane liqufi.

Nous nous intressons dans cette tude au compresseur COOPER. La figure suivante reprsente la

structure gnrale de ce procd.

II.2 Structure du compresseur :

Figure16 : Structure du compresseur Le chssis du joint dtail A figure17 regroupe tout les capteurs de mesure de diffrents paramtres.



Get yours now!


44

Figure17 : Chssis des capteurs

Figure18 : Vue sur site du compresseur

III. Diagnostic et surveillance du procd:

Afin de rendre le procd surveillable, les ingnieurs se sont bass sur les points suivants :

1- Dfinir les grandeurs rgles.

2- Mesurer la grandeur rgle avec un capteur.

3- Rflchir sur laptitude suivre : Cest la fonction de la surveillance. Lautomate



Get yours now!


45

compare la grandeur rgle avec la consigne et labore le signal de commande.

4- Agir sur lorgane rglant par lintermdiaire dun organe de rglage.

Pour cela un cahier de charge a t labor par les ingnieurs et les instrumentistes dfinissant les

parties du procd surveiller dont le but est dautomatiser le diagnostic, le contrle et la correction

des anomalies.

Ensuite les capteurs ont t placs en se basant sur une tude mene par la socit amricaine

SIEMENS qui a install et configur aussi les panels locaux et lautomate.

Le programme de surveillance dlivr par la mme socit et charg dans lautomate permet la

dtection des diffrentes anomalies qui peuvent survenir au compresseur au cours de son

fonctionnement, en gnrant des alarmes davertissement aux oprateurs, ou des dclenchements

TRIPs dans le cas critique et ragit automatiquement sur le procd.

Une fois le projet dinstallation de lquipement et dautomatisation de sa surveillance est arriv

terme, le turbo compresseur dmarre.

Notre base de rflexion est la suivante : En cas de besoins de gnrer dautres alarmes ou

dclenchements qui spcifient de nouvelles consignes, Comment ils vont les intgrer directement dans

le programme de fonctionnement sans les tester ?

Cette rflexion mne la problmatique suivante :

Comment sassurer que les nouveaux blocs intgrs fonctionnent correctement ?

Comment sassurer aussi que le programme charg dans lautomate assure un bon

diagnostic et agit correctement sur le procd ?

Lobjectif de cette thse est donc la conception dun automate virtuel qui reproduit le

fonctionnement de lautomate rel, en simulant diffrentes parties du programme juges critiques

afin de sassurer quaucun vnement indsirable ne puisse survenir sans le dtecter.

Le systme permet aux ingnieurs de simuler les diffrentes alarmes et dclenchements en variant les

donnes dentre et tester si les anomalies survenant au procd sont dtectables.

Il permet aussi de tester les nouveaux blocs de programmes (rpondant aux nouveaux besoins) qui

gnrent des nouvelles alarmes ou dclenchements avant de les insrer dans le programme de

lautomate rel.



Get yours now!


46

Pour aboutir notre objectif nous avons suivi une dmarche compose de cinq tapes que nous

allons voir dans la deuxime partie.

IV Etapes de conception de la solution dautomatisation :

Le systme de simulation quon va construire doit vrifier que le programme de lautomate se

comporte comme il a t prvu au dpart.

Pour cela le modle logiciel doit tre reprsentatif du comportement de linstallation. Autrement dit, il

faut faire une simulation sur un modle dcrivant la structure relle de la machine commander [MOU

2004].

En effet, il faut garder lesprit que lobjectif de la base de simulation est de tester et de valider le

programme. Il sagit donc de dcrire linstallation telle que la verra lautomate, c'est--dire sous langle

de ses entres (capteurs) et de ses sorties (actionneurs).

Le processus dautomatisation assure plusieurs tches, notre premire proccupation est comment

dcomposer notre procd en composants plus simples. Pour cela nous nous sommes rapprochs auprs

des ingnieurs mcaniques qui nous ont donn un modle dtaill dterminant des parties cohrentes du

procd.

A partir de ce modle on a procd la description des diffrentes zones et tches fonctionnelles.

Notre troisime tape est de dfinir les exigences en matire de scurit, en accord avec les exigences

lgales et la ligne suivie par lentreprise.

Ltude du systme de contrle fait parti des spcifications de conception de notre systme de

simulation.

Une fois quon a dtermin toutes les exigences de conception, on a cre un schma de conception qui

dcrit le fonctionnement de lquipement.

Le schma suivant montre les tapes suivies pour concevoir notre systme de simulation.



Get yours now!


47

Figure19 : Etapes de conception dune solution dautomatisation

Nous allons dtailler dans ce qui suit chacune de ces tapes.

Etape1 : Subdivision du procd : Comprendre le fonctionnent de l'quipement est une tche primordiale pour la conception de notre

systme. Le compresseur est l'un des quipements les plus complexes, l'tude de ce dernier tel qu'il est

difficile plutt impossible. La solution est donc de le dcomposer en zones plus simples.

1- Principe de fonctionnement :

Les compresseurs COOPER sont de types compresseurs centrifuges multi tages destins rcuprer le

gaz propane/butane pour le comprimer.

Une fois le gaz aspir des bacs ou ballons arrive au compresseur, il passe par trois stades pour le

comprimer.

Le gaz refoul du premier stade reprsente le gaz aspir du deuxime et la mme chose pour le

troisime stade. Au niveau de chaque stade quatre capteurs sont placs : deux lentre qui mesurent

la temprature et la pression et une la sortie du stade mesurant la vibration.

Le troisime stade contient en plus des capteurs de temprature, pression et vibration un capteur de

dbit.

Trois autres capteurs sont placs sur le moteur pour mesurer la temprature.

Subdivision du procd

Description des diffrentes zones fonctionnelles

Dfinition des exigences en matire de scurit

Description de systme de contrle et commande requis

Conception du systme de simulation


Produce quality PDF files in seconds and preserve the integrity of your original documents. Compatible across nearly all Windows platforms, if you can print from a windows application you can

automate programmable industriel API - theses.univ …theses.univ-oran1.dz/document/TH3527.pdf ·...

Documents

Transcript of automate programmable industriel API - theses.univ …theses.univ-oran1.dz/document/TH3527.pdf ·...