SEABG -...

SEABG

Automatisation dune centrale C.I.P 1

Introduction gnrale

Valider un procd de nettoyage, cest dmontrer de manire scientifique et

documente, que les diffrentes tapes de ce procd permettent dobtenir dans des

conditions prtablies une surface ne comportant pas de contamination rsiduelle

suprieure une limite pralablement fixe, ceci de manire reproductible

Commission SFSTP, Validation du nettoyage, 1996

La matrise des procds de fabrication dans lindustrie agro-alimentaire exige une

rigueur croissante fin dassurer la puret des produits. Ainsi Le nettoyage occupe une

position cl dans la lutte contre les risques de contamination qui peuvent tre chimiques ou

microbiologiques. Il est, par consquent, garant de la qualit du produit fabriqu.

Il est primordial pour lentreprise doptimiser ses propres procds de nettoyage, et ce

aussi bien au niveau de la formulation des procdures que dans leurs applications. En effet,

tout procd de nettoyage non matris entrane invitablement une augmentation des cots de

production.

Ainsi, la procdure de nettoyage doit tre formule de manire rationnelle afin de

permettre non seulement de matriser la qualit du produit fini, mais galement de mieux

connatre les quipements et danticiper les ventuels problmes pouvant subvenir.

La Socit des Emballages Aluminium Boissons Gazeuse est sollicit ce type de

procdure qui est assure actuellement dune manire manuelle. Afin de faciliter cette tche,

elle ma confi la ralisation du projet dautomatisation de la procdure de nettoyage en place

employe au niveau du systme de production des boissons alcoolises.

Lobjectif de mon projet de fin dtude est la cration dun processus automatise qui

tient compte des paramtres capitaux du nettoyage en place savoir : la concentration, la

pression, le temps de contact et la temprature, ayant pour but de garantir une bonne qualit

du produit fini, ainsi quune bonne gestion de la consommation de leau et des dtergents et

de prserver lenvironnement de lentreprise.

SEABG


Ce rapport est compos de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous dcrivons la

procdure de nettoyage en ligne automatiser, son application actuelle et les ventuelles

amliorations effectuer ainsi que la prsentation technique du processus de production

tudi. Puis, dans le deuxime chapitre, nous commenons par prsenter un modle graphique

ordonnanant les diffrents cycles du NEP et permettant la gestion des modes de marche et

arrt, savoir les Grafcets et le guide graphique de gestion des modes de marche et darrt

Gemma . Ensuite, nous dterminons des approximations des paramtres du rgulateur de

temprature programmer en utilisant une modlisation dun changeur thermique. Le

troisime chapitre, fait lobjet de la description et la validation du programme ralis avec

STEP7. Enfin, le quatrime chapitre est consacr la conception et limplmentation dune

application-pupitre permettant le suivi et la commande de la procdure de nettoyage.

SEABG


Prsentation de la socit SEABG

S.E.A.B.G : La Socit des Emballages Aluminium et Boissons Gazeuses.

Elle appartient au groupe S.F.B.T (Socit de Frigorifique et Brasserie de

Tunis)

Sige social et bureaux : Bab Saadoun Tunis Tel : 71 896 447

Usine : Zone Industrielle 8040. Bouargoub. Tunisie

Tl : 72 259 632 / 72 259 257 Tlex : 15 432 Tlfax : 72 259 688

P.D.G : M.MOHAMED BOUSBIA

Date de cration: 1987

Capital : 27 500 000 DT

Registre de commerce : 52516

Matricule Fiscale : 30142.F.A.M.000

Activits :

- Mise en boite des bires (Celtia,)

- Mise en boite des boissons gazeux (Coca-Cola, Fanta, Sprite, Boga)

- Fabrication des jus (Miami, Plus, Rea.)

Effectifs : 160 personnes (ingnieurs, techniciens, ouvriers)

Capacit de production :

- Ligne SASIB1 : 32 000 boites / heure

- Ligne SASIB2 : 52000 boites / heure

- Ligne jus: 6000 U/h 7500 U/h

SEABG


Chapitre I :

Nettoyage en Place

SEABG


Introduction

De nos jours, lentreprise est confronte des multiples problmes dont notamment la

bonne pratique des oprations de nettoyage en place, lvacuation des dchets toxiques et leur

impact sur lenvironnement.

Ce chapitre contient des lments de rponse ces problmes. Nous commenons par

dfinir le terme nettoyage en place puis nous dcortiquons la centrale de nettoyage en

place actuelle, pour aboutir la fin une description de linstallation de nettoyage en place

que nous proposons.

1.1. Le nettoyage en place (NEP)

1.1.1. Quest ce quune NEP ?

Nettoyage en place (NEP), ou encore Cleaning In Place (CIP) est un terme utilis dans

les industries alimentaires et pharmaceutiques qui signifie, comme le nom lindique, que les

quipements peuvent tre nettoys sans devoir tre dmonts ou mobiliss.

Les systmes NEP offrent un nettoyage rapide, efficace et fiable pour tous les types de

processus des entreprises.

1.1.2. Pourquoi le nettoyage ?

Selon lAFNOR (Norme 50-109), le nettoyage est une opration qui consiste

liminer, dans une surface donne, toute souillure visible ou invisible pouvant sy trouve.

Les oprations de nettoyage ont pour objectif dliminer de manire efficace tout traces

de souillures ou contaminations. Les souillures peuvent tre dorigine chimiques, particulaires

ou microbiologiques.

La nature des souillures va directement paramtrer le nettoyage aussi bien au niveau du

dtergent utilis ainsi que la manire technique selon laquelle le nettoyage est ralis.

Dune manire gnrale, on peut noter que :

- Plus la souillure est petite, plus la surface nettoyer sera forte.

SEABG


- Plus le dlai dintervention aprs la production est important, plus la souillure est

difficile liminer.

- La rugosit (partie saillante de la surface ingale) du matriel a un impact important

sur la ralisation du nettoyage.

Ltat final du matriel aprs nettoyage est directement li la nature de la souillure,

la nature du dtergent utilis, la configuration du matriel, ainsi qu la manire dont le

nettoyage est ralis.

1.1.3. Mcanisme de nettoyage

La dtergence met en oeuvre un processus physicochimique selon lequel les salissures

ou souillures sont dtaches de leur substrat ou support et mises en solution ou dispersion.

Ainsi un dtergent est un compos chimique, qui, associ des facteurs physiques

(temps, temprature, action mcanique) permet de dbarrasser une surface de sa souillure.

Cela engendre lapparition de trois interfaces (Figure 1):

Surface souillure

Souillure dtergent

Dtergent surface

Ainsi il co-existe dans tout nettoyage :

Une phase solide correspondant la surface souille

Une phase liquide ou solide correspondant la souillure

Une phase liquide correspondant la solution de nettoyage

A chaque interface des forces assurent ladhrence au systme. La souillure doit donc

passer dun tat condens ou agglomr la surface du matriel, un tat dispers dans la

solution de rinage ou nettoyage.

SEABG


Figure 1: Mcanisme d'limination des souillures [1]

Ainsi le mcanisme de nettoyage peut tre dcompos en trois grandes tapes.

Cependant, en ralit ces diffrentes tapes ne se succdent pas mais subsistent ensemble.

1.1.4. Paramtrage de la procdure de nettoyage

Les paramtres de la procdure de nettoyage sont galement des facteurs importants

influant sur lefficacit du nettoyage donc sur sa dure.

Quatre paramtres sont considrer lors de la mise en oeuvre dune procdure de

nettoyage. Ces paramtres sont dtermins par la nature de la souillure ainsi que la nature et

ltat du matriel sur lequel la souillure adhre. En effet, une fois la souillure et le matriel

sont soigneusement identifis, le dtergent adquat est slectionn, le paramtrage du

processus de nettoyage en dcoule. Tout fois, on est amen les modifier selon lapparition

dun nouveau type de salissure ou dune volution technique de lun de ces facteurs

(dtergents).

Ces paramtres sont :

Le temps durant lequel le nettoyage est effectu. Les ractions chimiques

aboutissant au nettoyage ne sont jamais instantanes. Rappelons que la quantit de nettoyage

de la souillure rsiduelle est fonction du temps.

La dure de la phase de nettoyage au dtergent doit tre calcule avec soin pour

obtenir leffet nettoyant optimal. On devra prendre en compte simultanment le prix du

dtergent, le cot de llectricit, du chauffage, de leau et de la main-doeuvre. Il ne suffit

pas de rincer un systme de tuyauteries laide dune solution dtergente. Le dtergent doit

circuler suffisamment longtemps pour dissoudre les souillures. Ainsi le temps ncessaire

dpend de lpaisseur des dpts et de la temprature de la solution dtergente.

SEABG


La temprature : Comme toute raction chimique, une augmentation de la

temprature a pour consquence une augmentation de la vitesse de raction (loi dArrhenius).

Llvation de la temprature a galement un rle dans labaissement de la tension

superficielle, la solubilisation des graisses, la diminution de leur viscosit et laugmentation

de la turbulence (agitation dsordonne) qui atteint son maximum lbullition.

Laction mcanique : Cette action permet daugmenter et de faciliter le contact

entre les impurets et la solution dtergente. Cette action mcanique peut tre provoque par

laugmentation de la turbulence dans les canalisations, lagitation des pices nettoyer ou la

pression exerce (action manuelle, nettoyeur haute pression). Dune manire gnrale,

laction mcanique tend augmenter la vitesse dcoulement, rduisant ainsi lpaisseur de la

couche limite et amliorant le transfert de dtergent (nettoyant) jusqu la souillure mais

galement tend augmenter la contrainte de cisaillement exerce par la solution sur la

souillure.

Laction physico-chimique (concentration) : Tout dtergent possde une

concentration optimale dutilisation, dtermine lors dessais par le fournisseur. Une fausse

ide reue serait de dire que plus le dtergent est concentr, plus il est efficace. En effet au

dessus dune certaine concentration, des difficults de rinage peuvent tre observes, des

traces peuvent subsister et une toxicit tant pour loprateur que pour lenvironnement peut

apparatre. En rgle gnrale, les dtergents sont utiliss une concentration de 2 5%.

Ces paramtres peuvent tre rsums de la manire suivante :

Figure 2:Cercle de Sinner [5]

La combinaison de ces quatre facteurs peut tre variable. Cependant toute diminution

dun ou plusieurs facteurs doit tre compense par une augmentation des autres facteurs afin

SEABG


dobtenir une efficacit similaire. Dune manire synthtique, nous pouvons dire que la

constante de nettoyage est fonction de :

- Dune part, la nature de limpuret et de la nature et ltat du matriel sur lequel le

dpt sest effectu.

- Dautre part, la concentration en dtergent, la temprature et laction mcanique

exerce.

1.1.5. Dtergents et nettoyage

Le plus souvent, les procdures de nettoyage font intervenir un ou plusieurs dtergents

afin dobtenir une surface propre. Les dtergents sont des combinaisons de composs

chimiques qui permettent de dbarrasser une surface de sa souillure.

Il arrive tout souvent dutiliser leau comme agent de nettoyage, ou tout du moins

comme solvant majoritaire lors des procds de nettoyage. Leau, employe seule, a de

nombreux avantages, comme son trs faible cot, sa non toxicit vis vis des oprateurs et de

lenvironnement. Cependant afin doptimiser et amliorer le nettoyage, des adjuvants tels que

les dtergents sont ajouts leau pour faciliter llimination des salissures.

Ces dtergents sont ajouts leau et utiliss pour leurs proprits ou leurs pouvoirs :

Mouillant : abaissement de la tension superficielle, effet de pntration.

Solubilisant : mise en solution des rsidus hydrosolubles.

Emulsifiant : mise en mulsion des corps gras.

Dispersant et squestrant : mise en suspension des matires solides (poussires,

fibres, tartres).

Lutilisation de dtergents dans lindustrie agro-alimentaire possde nanmoins des

dsavantages. En utilisant ces produits, de nouveaux composs chimiques, source de

contamination, sont introduites dans le matriel, rappelons que la finalit du nettoyage est

llimination des rsidus. Ces produits engendrent aussi un surcot au niveau du procd qui

SEABG


ne doit pas tre nglig. Ainsi lajout de dtergent ne doit tre fait que lorsque celui-ci est

strictement ncessaire.

1.1.5.1 Composition des dtergents

La majorit des dtergents sont base de deux catgories de produits (figure 3) :

Des sels minraux (alcalins ou acides)

Des constituants organiques (tensioactif, dispersant, squestrant)

Figure 3: Composition des dtergents [1]

1.1.5.2. Classification des dtergents

Il existe deux grandes catgories de dtergents :

1.1.5.2.1. Les dtergents alcalins

Ces dtergents sont les plus utiliss dans lindustrie ; 80% des nettoyages sont effectus

avec ces dtergents. Ils agissent par solubilisation et dsagrgation des souillures. Le milieu

alcalin permet la formation danions partir de rsidus de graisse. Lemploi de ce type de

dtergent permet un nettoyage rapide combin une action dsinfectante.

Deux sous-catgories de dtergents alcalins coexistent, en fonction de la source

dalcalinit :

SEABG


Les dtergents forts , produits extrmement caustiques (soude caustique), rservs

au nettoyage automatique compte tenu du risque important pour le personnel.

Les dtergents faibles , beaucoup moins caustiques et pouvant tre utiliss lors du

nettoyage manuel.

Ils sont utiliss pour liminer les rsidus de graisses, huiles ou protines.

1.1.5.2.2. Les dtergents acides

Ces dtergents provoquent la dissolution des dpts minraux et sont employs pour

nettoyer principalement linox. Leur utilisation est quasiment limite aux aciers inoxydables

et ncessite des prcautions particulires dutilisation concernant les concentrations et les

tempratures utilises.

La source dacidit peut provenir dun acide organique (citrique, formique) ou

inorganique (sulfurique, phosphorique, nitrique). Ils sont utiliss pour liminer les rsidus

dorigine minrale ou aprs une tape de lavage par un dtergent alcalin, pour neutralisation.

1.1.5.3. Choix dun dtergent

Un dtergent doit avoir les qualits requises afin dobtenir un nettoyage efficace. La

composition chimique va influencer directement le choix du dtergent. Le dtergent doit

pouvoir rpondre aux critres suivants :

Nature et tat des souillures : organiques ou minrales, humides ou sches.

Nature du matriel ou du support : aucune altration du matriel ne doit avoir lieu.

Le maintien de lintgrit de la surface est le facteur critique (en particulier pour les

joints et appareils de mesure)

Qualit de leau utilise : une eau avec une duret leve ncessitera la prsence de

complexant. Une eau trop acide et agressive ncessitera des inhibiteurs de corrosion.

Mode de nettoyage : un nettoyage sans intervention manuelle permet dutiliser des

produits plus concentrs sans danger.

SEABG


Toxicit : un dtergent doit tre le moins toxique possible pour le personnel mais

galement le plus respectueux possible de lenvironnement.

Lefficacit du dtergent : il faut viter au maximum de multiplier les tapes de

nettoyage. Un dtergent devra avoir un bon pouvoir mouillant, mulsionnant. Il devra tre

stable des tempratures leves. Son rinage et son limination devront tre aiss.

Dtectable : un bon dtergent doit pouvoir tre dosable de faibles concentrations. Ce

paramtre est requis dans le cas de la validation du nettoyage.

Le choix dun produit dtergent est donc critique et conditionne le rsultat aprs le

procd de nettoyage (Figure 4). Il est important de dterminer la nature des rsidus

nettoyer mais galement dadapter le type de nettoyage.

Figure 4: Choix du dtergent [5]

1.1.5.4. Nettoyage automatique

Le nettoyage automatique ne requiert aucune intervention humaine. Il est entirement

automatis. Gnralement, ce type de nettoyage est appel au nettoyage en place (NEP) ou

CIP (Clean In Place).

Ce procd ne requiert aucun dmontage pralable du matriel. Il est ralis soit par

aspersion, soit par circulation des fluides ou solvants. Lenchanement des oprations

seffectue dans des conditions prdtermines. Les fluides proviennent dune station de

nettoyage en place, pilote par un automate programmable. Ceci permet dassurer la

reproductibilit du nettoyage pour diffrent objet.

Bien que lintervention de loprateur soit rduite au minimum, il est primordial de

superviser le bon droulement du nettoyage notamment en contrlant les enregistrements

squentiels. Le dveloppement et la conception dun systme de NEP sont particulirement

adapts aux formes liquides ou semi liquides. Cependant, ce type de nettoyage ncessite des

SEABG


installations lourdes et coteuses et nest pas forcment adapt pour les industries ou ateliers

multi produits.

1.1.6. Circuits de NEP

On dtermine quels types de matriels peuvent tre nettoys dans le mme circuit,

partir des lments suivants :

Les dpts de rsidus de produits doivent tre de mme type, de manire pouvoir

utiliser les mmes dtergents et dsinfectants.

Le matriau des surfaces nettoyer doit tre le mme, ou tout au moins compatible

avec le mme dtergent ou dsinfectant.

Tous les lments du circuit doivent pouvoir tre nettoys en mme temps.

1.1.7. Matriaux compatibles et conception du systme

Pour assurer un NEP efficace, le matriel devra tre conu de manire sadapter un

circuit de nettoyage et tre en outre facile nettoyer. Toutes les surfaces devront tre

accessibles la solution dtergente. Il ne devra y avoir aucun cul de sac que le dtergent ne

peut atteindre ou travers lequel il ne peut scouler (Figure 5).

Les machines et tuyauteries devront tre installes de manire pouvoir tre vidanges

efficacement. Toutes les poches ou piges liquide do ne peut se vidanger leau rsiduelle

constitueront autant de lieux de prolifration rapide des bactries et entraneront un risque

important dinfection du produit.

Le matriel de traitement devra utiliser des matriaux du type acier inoxydable,

plastiques et lastomres, dont la qualit interdise toute transmission dodeur ou darme au

produit. Ces matriaux devront en outre pouvoir supporter le contact avec les dtergents et

dsinfectants aux tempratures de nettoyage.

Il pourra ventuellement se produire, dans certains cas, une attaque chimique des

surfaces des tuyaux et quipements, qui contamineront le produit. Cuivre, laiton et tain sont

SEABG


sensibles aux acides et aux alcalis forts. Des traces de cuivre, mme infimes, dans le produit

lui donnent un got doxydation (got huileux, dhuile de baleine).

Ainsi, lacier inoxydable constitue le matriau universel utilis pour les surfaces en

contact avec le produit. La contamination mtallique ne reprsente donc pas habituellement

un problme. Lacier inoxydable peut cependant tre attaqu par des solutions chlores.

La corrosion lectrolytique est frquente lorsque des lments en cuivre ou en laiton

sont incorpors des systmes en acier inoxydable. Le risque de contamination est important,

dans ces conditions. Il peut galement se produire une corrosion lectrolytique si un systme

contenant des aciers de diffrentes qualits est nettoy laide dagents cationiques.

Les lastomres (par exemple les joints en caoutchouc) peuvent tre attaqus par le

chlore et les agents oxydants, qui les noircissent ou les fissurent, librant ainsi dans le produit

des particules de caoutchouc. De ce fait, diffrents types de plastiques utiliss dans les

matriels de traitement peuvent entraner un risque de contamination. Certains de leurs

constituants peuvent tre dissous par les solutions dtergentes.

Figure 5: Exemple de cul de sac [5]

1.2. Description de linstallation de nettoyage NEP

Comme chez toutes les entreprises de production dagroalimentaire et de boissons, les

aspects sanitaires dans la Socit des Emballages et Boissons Gazeuses Bouargoub

(SEABG), ont une extrme importance puisque lentreprise doit respecter les normes

d'hygine pour viter la dgradation et de contamination des produits pendant le

SEABG


fonctionnement des machines. Le nettoyage doit tre effectu rapidement et minutieusement.

Les meilleures conditions de nettoyage se rencontrent avec le systme de nettoyage en place.

1.2.1. Les cinq tapes du systme NEP

A fin de raliser un nettoyage convenable aux raisons sanitaires dj dveloppes, on

procde comme suit :

1- Rinage leau traite pour liminer les rsidus.

2- Passage dune solution alcalines (soude caustique): les dtergents alcalins dissolvent

les graisses et les protines, et nettoient les dpts qui sont difficiles enlever.

3- Rinage intermdiaire l'eau traite.

4- Passage dune solution acide (ou eau chaude) qui sert neutraliser les restes

caustiques sur les surfaces de contacts. Les dtergents acides enlvent les dpts minraux

dans les circuits.

5- Rinage final l'eau froide traite qui enlve les rsidus acides

1.2.2. Les objets nettoyer

Linstallation NEP concevoir au sein de la socit SEABG permet actuellement de

faire un nettoyage en place des objets suivant :

Une station comportant cinq tanks (rservoir) de bire dcrit comme suit :

Deux tanks de volume 38 000 l quips de sondes de niveau et soumises sous

pressions (CO2) de 1.5 bar lors du transfert de la bire vers les deux soutireuses.

Trois tanks de volume 50 000 l quips de sondes de niveau et par une

procdure de rglage de pression.

Une grille de vanne double sige qui contrle le parcours de la bire et des

produits de nettoyage (eau, dtergent, dsinfectant).

Les deux lignes de production SASIB1 et SASIB2.

Les deux stations dalimentation de la bire.

SEABG


1.2.3. Linstallation CIP actuelle

Actuellement lunit de nettoyage de CIP ne comporte que deux tanks :

- Le premier est utilis pour la prparation de la solution de soude

caustique.

- Le deuxime est utilis pour le dosage du volume deau froide de

rinage puis pour la prparation de la solution acide.

Cette unit dispose dune pompe qui assure le transfert deau ou du dtergent vers

lobjet nettoyer et dun changeur tubulaire qui gre la temprature.

Figure 6: Systme simple (circuit ouvert) [6]

Vue quactuellement, lors dun cycle de nettoyage, la circulation du dtergent ou le

rinage avec leau se fait en circuit ouvert c'est--dire leau ou la solution du dtergent est

rejete aprs une seule utilisation (Figure 6) cela implique :

gaspillage deau et des dtergents: pour le nettoyage dun tank (TBF) on utilise

actuellement, en se basant sur le plan de nettoyage hebdomadaire des TBF,

30000 l deau.

augmentation du cot de nettoyage par suite le cot de production.

influences ngatifs touchant lenvironnement : pollution par le rejet de produit

toxique tel que la soude caustique

A cela sajoute que la prparation des cuves se fait dune manire manuelle, louvrier

responsable ne dispose que dun thermomtre plac dans le cuve isole et dun manomtre

pour observer la pression. Puisque toutes les vannes sont commandes manuellement, alors

lefficacit de lopration de nettoyage dpend intgralement de lexprience de louvrier.

SEABG


En consquence le temps du cycle de nettoyage dun objet est lev du fait que tout se

fait dune manire manuelle. Ainsi le respect des exigences de nettoyage quon a dvelopp

(la concentration et la temprature de dtergent, le temps de contact ) ne sera pas garanti. A

cela sajoute le danger auquel est dispos louvrier vu quil sera en contact direct avec des

produits toxiques haute temprature (soude, acide).

Do la ncessit de linstallation dune unit de nettoyage en place contrle

automatiquement dont les squences de nettoyage sont programmes pour un temps optimal

et un nettoyage efficace.

1.2.4. Linstallation CIP prvue

Afin de remdier aux inconvenions de linstallation CIP actuelle, lentreprise envisage

les modifications suivantes

La nouvelle unit CIP comportera quatre tanks de volume 5 000 l au lieu de

deux :

Une cuve pour la solution soude caustique.

Un cuve pour la solution dacide.

Un cuve deau pour le rinage.

Un cuve deau chaude.

La solution de nettoyage est recycle une fois utilise cela implique

limplmentation dune canalisation qui boucle le circuit du dtergent. La

prparation de la cuve deviendra automatique et loprateur pourra choisir les

squences de nettoyage programmes convenables pour lobjet nettoyer avec

un temps optimal (Figure 7)

SEABG


Figure 7: Systme recyclage de dtergent [6]

Comme pour tous systme, le systme NEP prvue prsente des avantages et des

inconvnients :

Avantages :

Rduction du temps de nettoyage.

Amlioration de lefficacit de nettoyage (les systmes automatiss nettoient et

dsinfectent plus efficacement et uniformment que le nettoyage manuel).

Conservation de la solution de nettoyage.

Amlioration du temps d'utilisation de l'quipement.

Amlioration de la scurit alimentaire

Optimisation de l'utilisation de l'eau et du dtergent.

Accs aux aires difficiles nettoyer.

Inconvnients :

Installation : l'optimisation des programmes de nettoyage doit tre effectue

par des personnes qualifies (coteuse).

Maintenance : la pression et le dbit des produits chimiques de nettoyage

travers le systme doivent tre mesurs galement il est ncessaire de vrifier

rgulirement que ces lments sont appliqus uniformment et sans

interruption.

SEABG


1.3. Conception de linstallation de N.E.P

Une tude prliminaire dtaille du fonctionnement de linstallation ainsi que la

dtermination de ces modules dentres et sorties et de ses exigences en matire de scurit,

nous permet de bien comprendre les mcanismes du processus. Ceci nous facilitera la tche de

programmation de lautomate et limitera les surprises lors de la ralisation des tests sur le

processus industriel rel.

Dans cette partie, nous commenons par prsenter linstallation de la centrale de

nettoyage en place propose par la socit SEABG, ensuite nous procdons la conception

dune solution automatise tout en dcrivant les diffrentes zones fonctionnelles de

linstallation et en dterminant les exigences en matire de scurit.

1.3.1. Prsentation de linstallation

La Figure 8 reprsente le schma de linstallation de la centrale de nettoyage en place

tudier. Cette installation comprend :

Une cuve pour la prparation de la solution soude caustique

Un rservoir de soude (caille)

Un changeur thermique tubulaire

Une table de pontage reli lunit de traitement deau

Des vannes monostables et des accessoires ncessaires pour le bon

fonctionnement du processus.

Une pompe de pression et une pompe doseuse.

Des instruments de mesure (manomtre, thermocouple, conductimtre

thermomtre)

Des capteurs tout ou rien (sondes de niveaux, dtecteur de proximit,

dtecteur de dbit)

SEABG


Figure 8: Schma de la centrale CIP

SEABG


1.3.2. Conception d'une solution d'automatisation

Puisque la procdure de nettoyage en place fait appelle des produits toxiques (soude

caustique, acide ) dangereux pour lhomme et que cest une opration coteuse, son

automatisation permet de rpondre deux types de critres :

- Critre conomique : augmenter la productivit, amliorer la qualit et diminuer

les cot de production.

- Critre humains : amliorer les conditions de travail, accrotre la scurit,

supprimer les tches pnibles et rptitives.

Pour lautomatisation de notre systme nous avons adopt lapproche de la Figure 9.

Figure 9: Etape de conception d'une solution automatis

1.3.2.1. Subdivision du processus

Un processus dautomatisation est constitu de diffrentes tches. Il est possible donc de

dfinir des zones cohrentes au sein du processus et de subdiviser ces dernires en tches

partielles plus petites. Dans cette partie nous allons structurer notre processus en zones

fonctionnelles et en tche lmentaires.

Comme chaque zone est son tour subdivise en tches plus petites, les tches

ncessaires pour commander la partie correspondante du processus ne sont pas trs

complexes.

SEABG


La centrale de nettoyage en place peut tre subdivise en cinq zones (Tableau I)

Rservoir de soude concentr

Alimentation deau

Cuve soude

Echangeur

Circuit dtergent

Tableau I: Subdivision du processus

Zone

fonctionnelle

Equipement associ

Rservoir de soude

concentr

- pompe doseuse pour lalimentation en soude (P1) quip

dune crpine daspiration.

- crpine DN65 pour la protection de la pompe doseuse (C1)

- sonde de niveau (LS3)

Alimentation deau - vanne papillon automatique dalimentation deau (V8)

- dtecteur de position (DP1)

- vanne papillon automatique pour le rinage de la cuve (V10)

- vanne papillon automatique pour lalimentation deau de

rinage (V9)

Cuve soude - cuve verticale isole quipe dune boule de lavage avec un

trou dhomme suprieur 400 mm

- sonde de niveau haut (LS1)

- sonde de niveau bas (LS2)

- thermomtre (TI1)

- vanne papillon manuelle chappement cuve DN65 (V11)

- vanne papillon automatique pour la vidange de la cuve (V1)

- vanne papillon automatique dadmission dtergent (V7)

Echangeur - Vanne manuelle papillon DN80 (V12)

- Filtre Y DN80 (F1)

- Vanne rducteur de pression DN65 (V13)

SEABG


- Vanne modulante pour la rgulation de pression DN65

(VM1)

- Indicateur transmetteur de temprature de type PT100 (TIC1)

- Echangeur thermique tubulaire

- Systme condenst DN40

Circuit du dtergent - pompe de pression CIP (P2)

- sonde de niveau (LS4)

- clapet anti-retour pour la protection de la pompe P2 (C2)

- manomtre membrane sanitaire (PI)

- vanne modulante la sortie dchangeur pour le contrle de

pression (VM2)

- deux vannes papillons automatiques DN65 action inverse

pour la dtermination du chemin du dtergent (V3 et V4)

- vanne papillon automatique DN65 retour dtergent (V5)

- vanne papillon automatique DN65 pour lchappement

dtergent (V6)

- clapet anti-retour retour CIP (C3)

- indicateur de temprature (TI2)

- transmetteur de conductivit (TC1)

- indicateur de dbit de type sanitaire (FS1)

1.3.2.2. Description des diffrentes zones fonctionnelles

La description de chaque zone et de chaque tche du processus de NEP permet de

dfinir non seulement le fonctionnement de chaque zone, mais galement les diffrents

lments de commande associs, savoir :

les entres et les sorties logiques pour chaque tche

les verrouillages et les relations de dpendance entre les diffrentes tches

La centrale de nettoyage en place fait appel des pompes, des vannes automatiques et

des vannes modulantes. Il faut dcrire chacune de ces lments prcisment afin d'identifier

leurs caractristiques de fonctionnement et le type des verrouillages ncessaires pendant

SEABG


l'exploitation. Les tableaux suivants fournissent des modles de description de l'quipement

utilis.

Tableau II: Moteur de la pompe doseuse

Rservoir de soude concentr : moteur de la pompe doseuse P1

1. la pompe doseuse [6] amne la soude caustique, sous forme liquide, du rservoir vers

la cuve o elle est mlange avec de leau. Les caractristiques de cette pompe sont :

o dbit : 50l / h

o pression : 10 bar

2. Le dmarrage et larrt de la pompe sont commands :

- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le grafcet dfinir

ultrieurement ; pendant le cycle prparation tank soude caustique .

- Par le pupitre de commande en mode manuel.

3. Les conditions de validation sont les suivantes:

- Le rservoir du soude caustique nest pas vide (LS3)

- lors de la prparation du tank de la soude, la conductivit qui circule en circuit ferm

est infrieure 300 ms/cm3

- larrt durgence nest pas activ.

- une alarme de niveau arrt durgence nest pas active.

4. les conditions darrt sont les suivantes :

- la sonde de niveau bas indique que le rservoir est vide pendant le fonctionnement

- la solution de soude qui circule atteint la conductivit dsire (soude_prte)

- le systme signale une alarme qui ncessite larrt de toutes les pompes.

SEABG


Tableau III: Vannes d'alimentation d'eau

Alimentation deau : vannes dalimentation deau

1. Les vannes d'alimentation V8 et V10 permettent ou empchent l'arrive de leau au

cuve_soude. Ces vannes comportent un commutateur magntique avec rappel ressort ;

o La vanne est ouverte lorsque le commutateur magntique est activ.

o La vanne est ferme lorsque le commutateur magntique est dsactiv.

2. Les vannes dalimentation deau sont commandes :


ultrieurement ; pendant le cycle prparation tank soude caustique pour la vanne

V8 et pendant le cycle rinage cuve soude caustique pour la vanne V10.

- Par le pupitre de commande en mode manuel.

3. Les conditions de validation sont les suivantes :

pour la vanne V8 :

- la cuve nest pas pleine.

- Le capteur de proximit (DP1) signale la connexion de la cuve la source deau

(table de pontage)

- La vanne de vidange V1 est ferme

- Larrt durgence nest pas activ

pour la vanne V10

- la vanne de vidange V1 ou la vanne dchappement V11 est ouverte

- la sonde de niveau bas (LS2) signale cuve vide

- larrt durgence nest pas activ

4. Les conditions darrt sont les suivantes :

pour la vanne V8

- la sonde de niveau LS1 signale cuve pleine

SEABG


- le capteur de proximit (DP1) signale la dconnexion au rseau dalimentation deau

au niveau de la table de pontage.

pour la vanne V10

- le temps de rinage fix par loprateur est coul.

Tableau IV: Les vannes du circuit du dtergent

Cuve soude et circuit du dtergent : les vannes automatiques

1-

Louverture des vannes V1, VM2, V4 et V7 successivement, assure la circulation de

leau (lors du cycle rinage cuve_soude ) ou de la solution soude caustique (lors

du cycle prparation soude_caustique) dans un circuit ferm.

Louverture des vannes V1, VM2, V3, V5 et V7 successivement, assure la circulation

de la solution basique (dtergent) de la cuve vers lobjet nettoyer.

Louverture des vannes V1, VM2, V4 et V6 successivement, assure la circulation de

leau de rinage de la cuve soude, travers le circuit ferm de linstallation vers un

gout.

Louverture des vannes V9, VM2, V3, V5 et V6 successivement, assure la circulation

de leau de rinage vers lobjet nettoyer puis sa sortie par lgout via la vanne V6.

Les vannes V1, V3, V4, V5, V6, V7 et V9 comportent un commutateur magntique avec

rappel ressort ;

o La vanne est ouverte lorsque le commutateur magntique est activ.

o La vanne est ferme lorsque le commutateur magntique est dsactiv

La vanne VM2 subit un rglage mcanique permettant le contrle du dbit sa sortie. Un

signale 4-20 mA permet louverture ou la fermeture de la vanne modulante.

SEABG


2- Le dmarrage et larrt de ces sont commands :


ultrieurement.

- Par le pupitre de commande en mode manuelle.

3- Les conditions de validation sont les suivantes :

pour la vanne V6

- la conductivit de soude est infrieur la consigne lors de la circulation de la solution

soude entre le cuve_soude et lobjet nettoyer.

Pour la vanne V1

- La sonde de niveau (LS2) ne signale pas cuve vide

- Larrt durgence nest pas activ

pour la vanne V3

- la vanne V4 est ferme

- lobjet est prt pour un cycle CIP


pour la vanne V4

- les vannes V3 et V5 sont fermes.


pour les vannes V5, VM2, V7 et V9


4- la condition darrt de ces vannes est la suivante :

- leau ou la soude circule dans un circuit ferm ou ouvert alors que le dtecteur de dbit

FS1 ou la sonde LS4 ne signale rien durant 6 secondes .

SEABG


Tableau V: Pompe CIP_Pression

Circuit du dtergent : moteur de la pompe CIP_pression (P2)

1- La pompe CIP_pression permet la circulation de leau ou de la soude dans un circuit

ferm ou ouvert en amliorant la force de contact.

- capacit 35 m3/h

- pression 4 bar

- moteur 11 kW

- variateur de frquence

2- Le dmarrage et larrt de ces sont commands :

- par lautomate lors du fonctionnement en mode automatique selon le Grafcet

dfinir ultrieurement.

- Par le pupitre de commande en mode manuelle

3- les conditions de validation sont les suivantes:

larrt durgence nest pas activ

la sonde de niveau LS4 signale la prsence dun produit pendant 6s

le dtecteur de dbit FS1 signale que le dbit nest pas nul 20s, au maximum, aprs la

mise en marche de la pompe.

La vanne V1 ou V9 est ouverte.

4- les conditions darrt sont les suivantes :

la sonde de niveau LS4 ne signale rien durant 6s pendant le fonctionnement de la

pompe

Le capteur de dbit FS1 ne signale pas que le rgime nominal est atteint au plus tard

20 secondes aprs le dclenchement du moteur de la pompe.

SEABG


Tableau VI: Vanne modulante VM1

Echangeur : vanne modulante VM1

la vanne modulante VM1 permet le contrle de la pression du vapeur venant de la

chaudire. Lautomate contrle le pourcentage douverture de la vanne modulante

VM1 par un signale lectrique qui varie entre 4 et 20 mA, qui sera convertie en

pression proportionnel grce un transducteur courant-pression.

- Les caractristiques du vapeur sont :

pression darriv de la chaudire : 8 bar

dbit : 620 Kg/h

retour condenst vers la chaudire : 620 Kg/h

le pourcentage douverture de la vanne sera contrl par un rgulateur PID dont les

paramtres seront prciss ultrieurement.

Si la temprature est infrieure la consigne alors la vanne sera ouverte.

le transmetteur de temprature TIC1, plac la sortie de lchangeur signale la valeur

de temprature de la solution ; cette valeur sera utilise lentre du rgulateur et

compare avec la consigne.

4- les caractristiques de lchangeur de temprature tubulaire horizontale [4],[5] seront

dveloppes dans le chapitre 2.

1.3.3. Dfinition des exigences en matire de scurit

La centrale CIP concevoir fait appel la logique suivante pour son circuit de scurit

(Figure 10) :

Un commutateur d'arrt d'urgence arrte les appareils suivants

indpendamment via l'automate programmable :

o Pompe d'alimentation CIP_Pression (P2)

o Pompe doseuse P2

o Les Vannes dalimentation deau

SEABG


Figure 10: Pupitre de commande

Conclusion

Ce chapitre nous a permis de dfinir le terme nettoyage en place et dapporter les

claircissements ncessaires aux paramtres assurant le bon droulement de la procdure de

nettoyage savoir la concentration, la temprature et le temps de contact du dtergent. En

plus, il nous a permis de dcrire linstallation de nettoyage en place tout en dfinissant les

exigences en matire de scurit.

Cette tude nous a t bnfique afin de pouvoir identifier les diffrentes zones

fonctionnelles et dterminer les besoins matriels.

Par ailleurs, nous estimons qu ce stade, il est difficile dentamer la programmation de

notre systme sans faire une reprsentation graphique du fonctionnement qui tient compte de

la gestion des modes de marche et darrt. Cette tude fera lobjet du deuxime chapitre.

SEABG


CHAPITRE II :

Conception et spcification de

lautomatisation du processus CIP

SEABG


Introduction :

Une bonne spcification du fonctionnement dun systme tout en prenant compte de

toutes ses contraintes savoir le dmarrage, les arrts (les modes de marches et darrt),

lenchanement des actions (ouverture / fermeture vanne, rgulation de temprature) ainsi

que ses relations avec son environnement (loprateur, les capteurs, les actionneurs.) est

indispensable pour limplmentation de sa commande.

Pour cela, nous proposons dutiliser le GRAFCET, afin de dcrire correctement la

commande de notre systme.

Par ailleurs, lors de ltude dun systme automatis, le concepteur a besoin dune

approche guide systmatique, du genre check list (liste de vrification) pour tout prvoir

ds ltude et envisager les consquences, tant pour la partie oprative que pour la partie

commande du systme raliser do lutilit du guide graphique Gemma.

Pour ces raisons, ce chapitre est consacr la ralisation dune reprsentation Grafcet

puis GEMMA de la commande du systme.

2.1. Conception de lautomatisation

Une reprsentation Grafcet exprimant lvolution des diffrentes tapes de la CIP

(prparation du tank soude caustique, rinage, injection de la solution soude caustique) en

interaction avec son environnement (ordres de marches/arrts, compte rendu de la partie

oprative) sera prsente dans ce qui suit en se basant sur :

- Les instructions du cahier des charges concernant le fonctionnement du processus de

nettoyage en place accomplir.

- La conception physique de linstallation prsente dans le chapitre prcdant.

- Les proprits du modle Grafcet.

SEABG


2.1.1. Grafcet fonctionnel

2.1.1.1. Identification des entres-sorties du Grafcet 1

Lors de l'tablissement du Grafcet de spcification, on utilise des noms explicites pour

les entres du systme modlis ainsi que pour les sorties (les actions ou ordres mis vers la

partie oprative mais aussi les visualisations vers l'oprateur). Lors du passage au Grafcet de

ralisation, on utilise plutt des noms logiques pour les entres/sorties du systme.

Par convention, les entres seront ranges dans un vecteur (le vecteur d'entre) et

nommes Ei o i est le rang de l'entre considre dans le vecteur d'entre. De mme les

sorties seront ranges dans un vecteur (le vecteur de sortie) et nommes Si o i est le rang de

la sortie considr dans le vecteur de sortie.

Par la suite on utilisera ces notations Ei et Si afin de dsigner les entres et les sorties de

la partie commande pour des commodits d'criture. La Figure11 montre un exemple de

nommage symbolique des entres/sorties pour le Grafcet fonctionnel principale de la

procdure de nettoyage en place automatiser (Grafcet 1).

Figure 11: Nommage symbolique des entres/sorties

SEABG


La nomenclature de la Grafcet fonctionnel principal (Grafcet1) sera reprsente dans le

tableau suivant :

Tableau VII: Les entres sortie du Grafcet principale Variable Source Commentaire

OP27_demande_cycle Pupitre de commande Demande de commencer un cycle Ord_cycle_rin_cuve Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de

rinage de la cuve soude. Ord_prp_soude Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de

prparation de la cuve soude. Ord_cycle_rin_souti Pupitre de commande Demande de commencer un cycle de

rinage de la soutireuse. Ord_cycle_CIP Pupitre de commande Demande de commencer un cycle

CIP complet de la soutireuse. Eau_disp Unit de traitement deau Eau disponible dans lunit de

traitement deau. Vapeur_disp Chaudire Vapeur disponible dans la chaudire Soutireuse_prte Soutireuse Soutireuse prte pour un cycle CIP Soude_prte Bit interne de lautomate La soude dans la cuve correspondant

est prte pour lutilisation. Fin_rin_cuve_soude Bit interne de lautomate Achvement du cycle rinage cuve

soude Fin_prp_cuve_soude Bit interne de lautomate Achvement du cycle prparation

cuve soude Fin_rin_souti Bit interne de lautomate Achvement du cycle rinage

soutireuse Fin_cycle_CIP Bit interne de lautomate Achvement du cycle CIP complet

pour la soutireuse Demande_eau Bit interne de lautomate Demande deau par lautomate

lunit de traitement deau. Demande_vapeur Bit interne de lautomate Demande de vapeur par lautomate

la chaudire. Demande_auto_souti Bit interne de lautomate Demande si la soutireuse est prte

pour un cycle CIP Rin_cuve_soude Bit interne de lautomate Rinage de la cuve _soude en cours Prparation_cuve_soude Bit interne de lautomate Prparation de la cuve _soude en

cours Rin_souti Bit interne de lautomate Rinage de la soutireuse en cours Cycle_CIP Bit interne de lautomate Cycle CIP complet de la soutireuse

en cours

2.1.1.2. Grafcets

2.1.1.2.1. Grafcet principal

Daprs le cahier de charge, le Grafcet principale construire doit remplir les conditions

suivantes :

SEABG


- donner la possibilit deffectuer les cycles suivants :

cycle de prparation du tank soude caustique

cycle de rinage de la cuve contenant la solution soude caustique

cycle de rinage de la soutireuse (objet nettoyer)

cycle NEP (premier rinage, une injection de la solution basique, un second

rinage)

- potentialit de dtecter la disponibilit des nergies intervenant lors de

lexcution des tches accomplir savoir la chaudire et lunit dalimentation de

leau de rinage :

demande eau / eau disponible

demande vapeur / vapeur disponible

- possibilit de communiquer avec lobjet nettoyer (exemple : la soutireuse,

tank vide)

demande autorisation soutireuse

soutireuse prte

soutireuse en mode automatique

- Ordonnancement des demandes selon leurs priorits : titre dexemple la

demande_eau doit tre commande en premier lieu puisquelle est primordiale pour

tous les cycles proposs prcdemment alors que la demande_soutireuse est effectue

en dernier lieu car elle nest ncessaire que pour les cycles rinage_soutireuse et

cycle_CIP

- communication avec le pupitre de contrle-commande (OP27)

Choix du cycle

Choix du mode (mode automatique ou manuelle)

Le Grafcet suivant reprsente le Grafcet fonctionnel du cahier de charge.

SEABG


Grafcet 1: Grafcet fonctionnel du systme de nettoyage en place (cahier de charge)

Prparation_cuve_soude

Eau_disp . Ord_cycle_rinc_cuve

Ord_cycle_CIP . Soude_prte

Ord_prp_soude

Vapeur_disp

Eau_disp . Ord_cycle_rinc_cuve

1

0

OP27_demande_cycle

3

4

Dpart

Demande_eau

Demande_vapeur

Demande_choix_cycle Fin_rinc_cuve_soude

Rincage_cuve_soude

Soutireuse_prte

6

7

Demande_autor_sout

Demande_choix_cycle Fin_prp_cuve_soude. Soude_prte

Ord_prp_soude

Fin _rinage_souti

Ord_cycle_rinage_souti

Rinage_souti

Fin_cycle_cip

Cycle_cip

1

M2

0

4

M5

0

7

M8

0

7

M9

0

SEABG


2.1.1.2.2. Macro-tape cycle_CIP

La Macro-tape M9 (Grafcet 2) contient les diffrentes tapes du cycle du nettoyage en

place auquel on sest limit, savoir :

- un premier rinage

- un nettoyage avec la soude caustique (solution basique)

- un deuxime rinage

Grafcet 2: Macro-tape M9 (cycle_CIP)

* Les actions de chaque une des tapes du nettoyage seront dtailles par la suite dans les Macro-tapes correspondantes.

1

1

Rinage_souti

Injec_soude_caustique

Fin_inj_soude . Dbut_2errinage_souti

Fin_2errinage_souti

Fin_1errinage_souti . Dbut_injec_soude

91

dbut_1errinage_souti

M7

Rinage_souti

M8

M8

95 Fin_2errinage_souti

Dbut_cycle_CIP

E90

S95

SEABG


2.1.2. Grafcet oprationnel

2.1.2.1. Identification des entres / sorties

Les entres

Tableau VIII: Identification des entres Nom commentaire

LS1 Sonde de niveau haut cuve_soude

LS2 Sonde de niveau bas cuve_soude

LS3 Sonde de niveau bas rservoir_soude

LS4 Sonde de niveau haut plac dans le circuit du NEP

DP1 Dtecteur de proximit plac dans la table de pontage deau.

FS1 Dtecteur de dbit.

Temp_dfav La temprature de la soude est infrieure la consigne de loprateur.

Temp_fav La temprature de la soude est conforme avec la consigne de loprateur.

Conc_dfav La conductivit de la soude est infrieure la consigne de loprateur.

Conc_fav La conductivit de la soude est conforme avec la consigne de loprateur.

Dbut_cycle_rinage_cuve Dpart cycle de rinage de la cuve de soude.

Dbut_cycle_prp_cuve_soude Dpart cycle de prparation de la cuve de soude caustique.

Ord_cycle_rinage_souti Dpart cycle de rinage soutireuse (ou tank vide)

Ord_1r rinage_souti Dpart 1r rinage du cycle CIP.

Ord_2me rinage_souti Dpart 2me rinage du cycle CIP.

Dbut_injec_soude Dpart nettoyage avec la soude.

Les sorties

Tableau IX: Identification des sorties Nom commentaire

V1+ Ouverture de la vanne V1

V1- Fermeture de la vanne V1

VM2+ Ouverture total de la vanne modulante VM2

VM2- Fermeture total de la vanne modulante VM2


SEABG

















KM2+ Fermeture du contact du moteur associ la pompe P2.

KM2- Ouverture du contact du moteur associ la pompe P2.

Soude_prte Le tank soude caustique est prt (temprature et

concentration de la soude sont adquat avec les consignes)

Etat_rinage_cuve Rinage cuve soude en cours

Fin_rinage_cuve_soude Fin rinage cuve soude

Etat_prp_cuve_soude Prparation cuve soude en cours

Fin_ prp_cuve_soude Fin prparation cuve soude

Etat_cycle_rin Cycle rinage de la soutireuse en cours

Fin_cycle_rin Fin cycle rinage de la soutireuse

Etat_1rrin Premier rinage de la soutireuse en cours

Fin_1rrin Achvement du premier rinage

Etat_2merin Second rinage en cours

Fin_2merin Achvement du second rinage

Etat_cycle_CIP Cycle CIP, complet, en cours

Fin_cycle_CIP Fin cycle CIP

Etat_injc_soude Nettoyage de la soutireuse en cours

Fin_inje_soude Achvement du nettoyage de la soutireuse avec la soude.

SEABG


2.1.2.2. Macro-tape rinage_cuve_soude :

La Macro-tape M2 (Grafcet 3) comprend les diffrentes actions ncessaires pour la

ralisation de la tche rinage_cuve_soude . Pour accomplir cette tche il faut passer par

les tapes suivantes :

- ouverture de la vanne dalimentation deau de rinage pour la cuve soude.

- circulation de leau dans un circuit ouvert fin dvacuer les impurets

existantes dans la cuve.

- circulation de leau dans un circuit ferm pour liminer les impurets que

renferme le ce circuit.

- Fermeture de la vanne dalimentation deau aprs coulement du temps de

rinage dfinie par loprateur.

- Evacuation de leau restant dans le circuit.

2.1.2.3. Macro-tape prparation_cuve_soude :

La Macro-tape M5 (Grafcet 4) comprend les actions ncessaires pour prparer une

solution de soude caustique dans une cuve de volume (5000 l) rpondant aux exigences de la

procdure de nettoyage en place de lobjet en question (temprature et concentration de la

soude).

Les diffrentes tapes sont :

- Remplir la cuve en eau (volume paramtre)

- Niveau haut couvert

- Activation pompe de mlange

- Ravitaillement de soude (quantit paramtre)

- Mesure de concentration (conductivit de paramtre ok)

- Chauffage de la solution eau / soude (temprature paramtre ok)

- Pousse de la solution eau / soude aprs chauffage

- Cuve prte pour la NEP.

En effet la Macro-tape M5 renferme elle-mme deux autre Macro-tape (M57 et M58)

qui ont pour rle la rgulation de temprature et la rgulation de la concentration. Les actions

de ces dernires seront dtailles dans ce qui suit.

SEABG


Grafcet 3: Macro-tape M2 (rinage_cuve_soude)

* Le temps allou pour le rinage de la cuve (temporisateur T 76) est dtermin par loprateur via le pupitre de commande (OP27)

FS1

T 76 / 7M / XE23 *

FS1 . T 75 / 3M / XE22

E20

Dbut_cycle_rinage_cuve

LS4

21

22

V1+ V10+ tat_rinage_cuve

KM2+ VM2+ V4+ V6+

23 V6- V7+

LS4

24 V1- V10- V6+ V7-

T 77 / 5S / XE25

25 KM2-

26

27

VM2- V4-

V6- tat_rinage_cuve fin_rinage_cuve_soude

S28

SEABG


Grafcet 4: Macro-tape M5 (prparation_cuve _soude) 1/2 1

Temp_fav

Conc_fav Conc_fav

Rgul_concentration *

Rgul_temprature *

Temp_dfav Conc_dfav Temp_dfav . Conc_dfav

FS1 . T 20 /7S / XE55

DP1

LS1 . LS2

E50

Dbut_cycle_prp_cuve_soude

DP1 . LS1

51

52

tat_prp_cuve_soude

53

LS4

54

KM2+ VM2+ V4+ V7+ 55

56

V8+

V8-

V1+

56

M57

61

56

M58

62

Temp_fav

59 60

61 62

SEABG


Grafcet 5: Macro-tape M5 (prparation_cuve _soude) 2/2

* Les Macro-tapes M57 et M58 reprsentent simultanment la rgulation de temprature et la rgulation de concentration et seront dtaille ultrieurement.

FS1

T 76 / 20S / XE61

63

LS4

V1-

T 29 / 5S / XE60

64

65

KM2-

66

67

VM2- V4-

V6+ V7-

V6+ Soude_prte tat_prp_cuve_soude Fin_prp_cuve_soude

S68

1

SEABG


2.1.2.4. Macro-tape rinage_soutireuse :

La macro-tape M8 (Grafcet 5) ou encore rinage_soutireuse dcrit les diffrentes actions

ncessaires pour la ralisation dun rinage correcte pour la soutireuse. Ces actions sont :

- ouverture de la source deau de rinage

- circulation de leau dans la soutireuse en circuit ouvert.

- Fermeture de source deau aprs coulement du temps de rinage prdfinis par

loprateur.

- Evacuation de leau restant dans le circuit

- Cder la main au cycle suivant.

2.1.2.5. Macro-tape injection_soude_caustique :

La Macro-tape M8 (Grafcet 6) ou encore injection_soude_caustique prsente les tapes

ncessaires pour laccomplissement du nettoyage la soude dans la soutireuse (objet a

nettoyer). Ces tapes sont :

- Activation de la pompe dinjection de la soude.

- Circulation de cette solution en circuit ferm entre le rservoir (cuve soude) et lobjet

nettoyer.

- Arrt de la pompe dinjection de la soude aprs lcoulement du temps dinjection

prdfinis par loprateur.

- Evacuation de la solution restante dans le circuit.

- Cder la main au cycle suivant.

SEABG


Grafcet 6: Macro-tape M8 (rinage_Soutireuse) 1/2

- cd1 = FS1 . Etat_cycle_rin . T 71/ 15M / XE82 * - cd2 = FS1 . Etat_1rrin . T 25 /15M / XE82 * - cd3 = FS1 . Etat_2rrin . T 70 /15M / XE82 * * Les temps allous pour le rinage de la soutireuse (temporisateur T 25; T 70 ; T 71) est dtermin par loprateur via le pupitre de contrle commande OP27

cd1 + cd2 + cd3

Ord_1rrinage_souti

Ord_1rrinage_souti

LS4

1 1 1

Ord_cycle_rinage_souti

T 26 /5S / XE84

E80

81

85 KM2+ V2M+ V3+ V5+ V6+

86

VM2- V3-

LS4

87

FS1 . T 27 / 10S / XE85

88

V9-

89 V5- V6-

Etat_cycle_rin

Etat_2rrin

83 82 Etat_1rrin

84 V9+

KM2-

SEABG


Grafcet 7: Macro-tape M8 (rinage_Soutireuse) 1/2

1 1 1

Etat_1rrin Etat_2rrin

Etat_cycle_rin

886 Fin_cycle_rin

Etat_cycle_rin

Fin_2rrin

Etat_2rrin Fin_cycle_

cip

888 887 Fin_1rrin

Etat_1rrin

Dbut_injec_soude

S899

SEABG


Grafcet 8: Macro-tape M9 (injec_soude_caustique)

* Le temps allou pour linjection de la solution soude caustique (temporisateur T 92) est dtermin par loprateur via le pupitre de contrle commande OP27

1

T 22 / 1M / XE95

Dbut_injec_soude

LS4

E70

72 KM2+ VM2+ V3+ V5+ V7+

76 V5- V6+ V7-

71 tat_injec_soude V1+

FS1 . T 21 /15M / XE92 *

T 77 / 5S / XE94

VM2- V3-

74

75

KM2-

73

LS4

V1-

FS1 . T 23 / 10S / XE96

S77 V6- Fin_injec_soude Soude_prte tat_injec_soude

S78

SEABG


2.2. Etude du rgulateur PID de lchangeur

Pour amener la solution de soude caustique la temprature dsire lors du cycle

prparation_tank_soude lutilisation dun changeur thermique est primordiale pour

laccomplissement de cette tche.

Dans cette partie, nous commenons par la modlisation de lchangeur tubulaire

horizontale puis nous passons la dtermination des paramtres du rgulateur de temprature

associ.

Lchangeur reprsent dans la Figure 12 est aliment en vapeur deau la temprature

a et avec un dbit volumique kS (S section dalimentation) rglable par une vanne modulante

VM1. Leau pntre dans lchangeur la temprature de rfrence Te = ref, avec un dbit q

constant. Les tempratures de sortie sont v pour la vapeur, et s pour leau, mais cette

dernire ne peut tre mesure quen m avec un retard de tr second.

Figure 12: Modlisation de l'changeur [6]

Soit les paramtres suivants

- S section dalimentation

- v temprature du vapeur et temprature s mesure par m

SEABG


- R : rsistance thermique moyenne globale de lchangeur thermique, exprime en W.m-2.K-1

- C : capacit calorifique, exprime en J / C

- C = m.c ; c: capacit calorifique massique exprime en J.kg-1 /C

- : masse volumique, exprim en kg/m3

2.2.1. Fonction de transfert de lchangeur :

Une modlisation faite par le Pr. I. Zambettakis [6] nous conduit la fonction de

transfert suivante (Annexe 1) :

(1)

Les paramtres a, b, c, f et g sexprimant, en fonction des paramtres donns, par :

Puis pour le transfert (m / S) il faut traduire le fait que la mesure m de s est effectu

par un capteur (PT100) qui prsente uniquement un retard tr, soit :

SEABG


Le retard sexprimant en calcul oprationnel par loprateur de retard e-tr p, il vient :

Donc :

(2)

2.2.2. Schma fonctionnel

(a) schma fonctionnel du processus seul (en boucle ouverte) :

(b) asservissement laide dun thermocouple et dun systme bielle

manivelle qui permettent dactionner la vanne:

(c) En assimilant le thermocouple et le systme bielle manivelle un gain

K, il vient successivement les schmas quivalents suivants :

SEABG


2.2.3. Application numrique

En se basant sur les caractristiques physiques de la vapeur sature dveloppes dans le

tableau de lAnnexe 2 ainsi que de la dfinition de la chaleur massique explique dans

lAnnexe 3 , on a ralis le tableau suivant concernant le fluide de chauffage et le fluide

chauff par lchangeur tubulaire utilis dans la centrale CIP concevoir.

Tableau X: Caractristique physique du fluide chauffant et du fluide chauff Pression

(bar)

Masse

volumique

(kg/m3)

Capacit

calorifique

massique

c (KJKg-1K-1)

Capacit

calorifique

(KJ/C)

C = m.c

Fluide de

chauffage

Vapeur

Sature (5l)

8 4.162 2,4951 0.052

Fluide

chauff

Eau (2l) 6 990 4,18 8.276

On a procd des prlvements des tempratures du vapeur entrant lchangeur et

sortant sous forme deau condens ainsi que de leau chauff et de la section douverture de la

vanne modulante un point de fonctionnement prcis de la procdure actuelle de chauffage :

- Temprature de la vapeur venant de la chaudire a = 175C

- Temprature de la vapeur sortant de lchangeur (sous forme deau condens)

v0 = 70C

- Temprature de leau sortant de lchangeur s0 = 30C

- Le diamtre de la vanne modulante est 34 mm, donc la section ouverte, au

point de fonctionnement, de la vanne modulante (VM1) est : S0 = 9.08 .10-4 m2

- Le dbit de leau sortant de la cuve soude est : q = 35 m3h-1

Le calcule de la valeur du coefficient Kv de la vanne modulante dpend des

conditions et du type de linstallation, telles que le dbit, la densit du fluide et la pression

en amont. Lquation adopte pour la vapeur sature est la suivante (daprs ThermExel):

1.2.11 P

GK v = (3)

SEABG


Avec :

G : Dbit de la vapeur (kg/h)

P1 : Pression en amont par rapport la vanne modulante VM1 (bar)

G = 620 kg/h ; P1 = 8 bar => Kv = 6,92 m3h-1

Etant donne que lchangeur thermique choisit pour la centrale NEP est tubulaire

horizontale en inoxe ; ce choix a t effectu pour diminuer la dgradation, liminer le

coefficient dencrassement, en tenant compte du fluide de chauffage et du fluide chauff

et en se basant sur les donne fournies par le constructeur la rsistance moyenne de

lchangeur est comme suit : R = 5000W-1.m2.K

Ces donnes nous conduisent la dtermination des paramtres de la fonction

transfert du modle changeur :

a = 145,105. 103 ; b = 38, 46 .10-4 ; c = 1,251

f = 1.75 .104 ; g = 24,166 .10-6

1892.25.17

5.3

)(

)()(

2 ++==

pppS

pspT

(4)

Ou encore T (p) = )1)(1( 21

0

pp

K

++ (5)

Avec 1= 0.13 et 2 = 17.37 et K0 = 3.5

2.2.4. Dtermination des paramtres du rgulateur :

On rappelle que le rle dun rgulateur est de maintenir la grandeur rgule une valeur

de la consigne malgr la prsence des perturbations dans le fonctionnement en rgulation ou

suivre la variation dune consigne dans le fonctionnement en asservissement. Au moyen du

choix des actions et de leurs paramtres, il est possible dobtenir un comportement dsir en

boucle ferme, caractrisant les performances du systme.

De manire qualitative, les critres satisfaire sont les suivants :

SEABG


Les effets de perturbations doivent tre minimiss ou encore mieux, ils

doivent tre liminer compltement et ce, le plus rapidement possible.

Les changements de consigne doivent tre suivis rapidement et avec une

bonne prcision.

De manire quantitative, il sagit de proposer les actions (P,I,D) du rgulateur et de

leurs paramtres (Kp, Ti, Td) rpondant le mieux possible aux spcifications dun cahier de

charges.

Mthodes directes : Mthodes du modle

Les mthodes directes (thoriques) sont trs nombreuses et reposent sur la connaissance

dun modle prcis du systme commander. Les performances relles obtenues dpendent

da la qualit du modle et son aptitude reprsenter le mieux possible le procd. Parmi ces

mthodes on propose deux variantes de la mthode du modle : une base sur la donne de la

fonction de transfert en boucle ferme rpondant un cahier de charges et lautre base sur la

donne de la fonction de transfert en boucle ouverte. Pour la rgulation de temprature faire

on se limitera lutilisation de la mthode du modle base sur la fonction de transfert en

boucle ferme.

La structure du systme en boucle ferme est la suivante :

Figure 13 : implmentation du rgulateur

La fonction de transfert en boucle ouverte est G (p) = C (p) T (p)

La fonction de transfert en boucle ferme est:

)().(1

)().()(

pTpC

pTpCpF

+= (6)

d(p) (p) s(p) S(p)

C(p) T(p) +

SEABG


De ce fait, le rgulateur C (p) est dtermin par la relation suivante :

))(1()(

)()(

pFpT

pFpC

= (7)

La ralisabilit de C (p) est conditionne par la diffrence des degrs des polynmes

entre le numrateur et le dnominateur de cette fonction de transfert. En effet, on dit quun

transfert est ralisable si le degr du dnominateur est suprieur ou gal celui du

numrateur.

Usuellement, le comportement souhait en boucle ferme est celui dun systme dordre

un ou dordre deux avec un gain statique unitaire, ce qui permet une prcision statique

parfaite.

Application : Soit Fd (p) la fonction de transfert dsire en boucle ferme :

pTa

eKpF

pTu

d .1)(

.

+=

O est choisi de manire fixer le temps de rponse. Le rgulateur C (p) est alors :

ppTpC

.)(

1)(

=

On note au passage que le rgulateur apporte une intgration ce qui assure une prcision

statique parfaite.

Puisque le systme admet la fonction de transfert suivante :

)1)(1()(

21

0

pp

KpT

++=

C (p) peut tre exprim de trois manires :

( )( ) ( )ppKpK

pppC 2

10

1

0

21 11

1.

11)(

+

+=

++= (8)

SEABG


Le rgulateur rsultant est donc un PID de type srie avec les paramtres :

2

1

0

1

==

=

d

i

T

T

KKp

))(

11()(

21

21

210

21 ppK

pC

+

++

++

= PID mixte (9)

pKpKKpC

0

21

00

21

.

1)( ++

+= PID parallle (10)

Remarques :

On aurait pu affecter Ti la constante de temps 2 et Td la constante de temps

1. En pratique, on fait le choix de manire ce que Ti soit plus grande Td.

Il convient dans tous les cas dajouter un filtre passe-bas ltage ralisant

laction drive ou au montage ralisant C (p) comme le montre les expressions

suivantes par exemple:

( )

))(

11(

1

1)(

)1

111()(

21

21

210

21

0

021

21

210

21

++

++

++

=

+++

++

+=

p

pKppC

p

p

pKpC

(11)

0 doit tre choisi de manire raliser une bonne qualit de filtrage des hautes

frquences sans pnaliser le systme par lajout de cette constante de temps. En faite 0 nest

pas un paramtre de synthse comme Kp, Ti et Td, mais plutt un paramtre de rglage

supplmentaire dordre pratique.

Dans la mthode du modle, C (p) sobtient par inversion du modle du

procd :

))(1)((

)()(

pFpT

pFpC

=

SEABG


De ce fait, elle ne convient pas pour les systmes pour lesquels la fonction de transfert

possde un retard pur ou un zro instable c'est--dire partie relle positive ce qui nest pas le

cas pour notre systme; car dans le premier cas C (p) est irralisable (prsence doprateur

avance) et dans le second cas, le rgulateur est instable :

)(1

)(

)(

)()(

)(

)()()( 0 pFd

pFd

pN

pDepC

pD

pNepTepT TpTpTp

===

)(1

)(

)(

)()(0

)(

)(

)(

)()(

pFd

pFd

ap

pDpCaavec

pD

ap

pD

pNpT

=>==

K

Dtermination des paramtres du rgulateur de temprature PID

Daprs la fonction de transfert de lquation (5) 1= 0.13 et 2 = 17.37 et K0 = 3.5

On souhaite obtenir un comportement dordre 1 en boucle ferme avec un temps de

rponse 5% gal 0.6 s (0) et une prcision statique parfaite.

De ce cahier de charges on dduit que la fonction de transfert en boucle ferme doit tre

dordre un, de constante de temps = 0.2 s et de gain statique unitaire; soit donc :

ppF

2.01

1)(

+= (12)

En retenant un rgulateur PID de type mixte filtr, on a :

pKpKKpC

00

21

00

21

1

11)(

++

+

+= (13)

p

p

ppC

6.01

22.3

7.0

125)(

+++=

La rponse indicielle du systme avec le rgulateur est reprsente par la Figure 13.

SEABG


Figure 14: Vrification du cahier de charge

On remarque que les conditions du cahier de charge sont vrifie puisque daprs la

rponse indicielle le systme en boucle ferme possde un comportement dun systme de 1r

ordre avec un temps de

SEABG -...

Documents

Transcript of SEABG -...