Systèmes avancés de contrôle de processus pour l'efficacité industrielle

Système de contrôle de processus : fondements

Un processus est largement défini comme une opération qui utilise des ressources pour transformer des entrées en sorties. C'est la ressource qui fournit l'énergie nécessaire au processus pour que la transformation se produise. Dans le contexte d'une industrie, le terme « processus » tel qu'utilisé dans le terme « contrôle de processus » fait référence aux méthodes de transformation et de raffinage des matières premières qui restent dans un état solide, liquide, gazeux, fluide ou de boue pour créer des produits finis de propriétés spécifiées. Les matières premières pendant le processus sont transférées, mesurées, mélangées, chauffées ou refroidies, filtrées, stockées ou manipulées de manière à obtenir la sortie désirée. Pendant le processus, les matières premières subissent des changements physiques et chimiques pour leur conversion en produits finis. Normalement, une industrie exploite un certain nombre de processus où chaque processus présente un comportement dynamique (variant dans le temps) particulier qui gouverne la transformation. Le comportement dynamique est déterminé par les propriétés physiques et chimiques des entrées, de la ressource et du processus lui-même.

Définition du contrôle de processus

Le contrôle de processus fait référence aux méthodes employées pour contrôler les variables du ou des processus utilisés dans la fabrication d'un produit. C'est l'action de contrôler un élément de commande final pour changer la variable manipulée afin de maintenir la variable du processus à un point de consigne désiré. Ces variables peuvent être dans les entrées du processus, dans les paramètres du processus et dans la sortie du processus. Le contrôle du processus est fait pour réduire sa variabilité afin d'obtenir la qualité de produit visée, améliorer les taux de production, augmenter l'efficacité du processus, faciliter la protection de l'environnement et assurer la sécurité des hommes et de l'équipement employés pour le processus.

Un corollaire du contrôle de processus est qu'un processus contrôlable doit se comporter de manière prévisible. Pour un changement donné dans la variable manipulée, la variable du processus doit répondre de manière prévisible et cohérente.

Objectifs d'un système de contrôle de processus

Un système de contrôle de processus a les objectifs suivants :

• Le système de contrôle de processus est central pour le maintien de la qualité du produit. Il maintient les paramètres du processus dans des limites serrées pour obtenir des produits de spécifications cohérentes du processus. Sans contrôle du processus, la qualité du produit peut varier et le produit peut être rejeté.
• Le système de contrôle de processus doit préserver la sécurité du personnel, de l'équipement et de l'environnement.
• Le système de contrôle de processus doit atteindre et maximiser la productivité de l'équipement et donc la production.
• Le système de contrôle de processus doit également assurer que la consommation de matières premières, d'énergie et d'utilités reste dans les normes de consommation spécifiées pour le processus.
• Le système de contrôle de processus est également requis pour maintenir le coût de production sous contrôle en surmontant les contraintes imposées au processus par l'environnement. Le contrôle du coût doit être atteint sans compromettre la sécurité et la qualité du produit.

Fonctionnement et variables

Pour donner la sortie désirée, un processus doit fonctionner dans les paramètres définis. Le processus est dit en fonctionnement stable s'il opère dans la plage spécifiée des paramètres définis. Cependant, il peut y avoir des écarts par rapport aux paramètres définis pendant le fonctionnement du processus. Ces écarts sont appelés perturbations. Les perturbations sont causées par des changements non contrôlés dans les entrées du processus qui peuvent être la condition d'alimentation, la pression ou la température d'approvisionnement en utilités, l'activité du catalyseur, l'efficacité du transfert de chaleur, etc. Lorsqu'un processus subit des perturbations, il y a des écarts dans les variables du processus et le processus devient instable.

Les processus industriels sont normalement de nature dynamique et donc un système de contrôle de processus a généralement une double tâche. À travers le système de contrôle de processus, un opérateur : (i) surveille certains indicateurs de conditions de processus et (ii) induit des changements dans les variables appropriées afin d'améliorer les conditions du processus. Le contrôle est exercé pour maintenir les conditions désirées dans le système de processus en ajustant les variables sélectionnées dans le système de processus. Une valeur spécifique ou une plage est utilisée comme valeur désirée pour la variable à contrôler. Il est toujours préférable d'utiliser le système de contrôle le plus simple qui peut atteindre les objectifs désirés. La conception d'un processus détermine comment il réagira dynamiquement et comment il peut être contrôlé.

Types de variables

Un processus a normalement les quatre types de variables suivants :

• Variables d'entrée – Ce sont les variables qui stimulent indépendamment le système de processus et induisent ainsi un changement dans les conditions internes du processus. Ces variables peuvent être des variables manipulées ou des variables de perturbation.
• Variables de sortie – Ce sont les variables par lesquelles un opérateur obtient des informations sur l'état interne du processus.
• Variables de contrôle – Ce sont les variables utilisées par l'opérateur pour la manipulation afin de maintenir le processus sous contrôle.
• Variables d'état – Ce sont l'ensemble minimal de variables essentielles pour décrire complètement l'état interne (ou la condition) d'un processus.

Instrumentation et éléments de contrôle

Le processus doit être surveillé par l'opérateur afin de s'assurer qu'il fonctionne en condition stable et donne la sortie désirée. Pour la surveillance, les conditions (paramètres de processus) du système de processus sont mesurées. Pour cela, l'opérateur doit dépendre des instruments. De plus, chaque système a un calcul de contrôle qui est aussi appelé algorithme. Les résultats du calcul sont mis en œuvre pour que le processus fonctionne correctement. Les instruments utilisés pour contrôler un processus peuvent être des capteurs, des transmetteurs, des contrôleurs et l'élément de commande final.

• Capteurs – Ce sont les instruments qui effectuent les fonctions de vision, d'ouïe, etc. Ces instruments mesurent la température, le niveau, le débit, la composition, etc. Ce sont des thermocouples, des débitmètres à pression différentielle, des analyseurs de gaz, etc.
• Transmetteurs – Ils sont comme des neurones. Ils transmettent des signaux comme des signaux pneumatiques ou électriques, etc.
• Contrôleurs – Les contrôleurs font la fonction de cerveau. Les contrôleurs peuvent être pneumatiques, électroniques ou des ordinateurs numériques.
• Élément de commande final – Ceux-ci effectuent la fonction de muscles. Ce sont des vannes de contrôle, des pompes, des compresseurs, des convoyeurs, des relais, etc.

Un diagramme de blocs montrant les différents éléments de contrôle est à la Fig. 1

Fig 1 Diagramme de blocs montrant les différents éléments de contrôle

Raisons du contrôle

Il y a deux raisons principales pour le contrôle. La première raison est de maintenir la variable mesurée à sa valeur désirée lorsque des perturbations se produisent. La deuxième raison est de répondre aux changements dans les valeurs désirées des paramètres du processus. Les valeurs désirées sont celles qui sont nécessaires pour que le processus fonctionne de manière stable pour produire un produit spécifié de manière économique et sûre sans affecter négativement l'environnement.

Facteurs influençant le contrôle de processus

La conception de l'usine et de l'équipement influence grandement les activités de contrôle de processus. Il est également essentiel que le processus fournisse une bonne performance dynamique. Il est nécessaire que tous les instruments et équipements d'essai soient périodiquement et correctement étalonnés. L'étalonnage des instruments et équipements d'essai doit remonter aux standards nationaux. Les capteurs doivent être corrects et rapides avec des capacités adaptées aux besoins de l'équipement et du processus. Un processus peut être contrôlé soit manuellement, soit automatiquement avec l'aide de l'instrumentation nécessaire. La plupart des contrôles automatiques sont mis en œuvre avec des équipements électroniques qui utilisent des niveaux de courant ou de tension pour représenter les valeurs à communiquer.

Pour un bon contrôle de processus, il est nécessaire que le système soit réactif et que peu de perturbations se produisent. Dans un système de contrôle de processus réactif, les variables contrôlées répondent rapidement aux ajustements dans les variables manipulées. Dans un tel système, la fréquence des perturbations est également réduite. Il faut se rappeler qu'un opérateur ne peut contrôler un paramètre que s'il est mesuré, donc l'emplacement et la sélection des capteurs sont très importants. Les capteurs doivent mesurer les variables rapidement, de manière fiable et avec une précision suffisante.