VI-11-1-a-Caractéristiques de l`alimentation électrique et - E
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Université Mentouri Constantine Faculté de science de l’ingénieur Département d’Electronique Master 1 signaux et systèmes Rapport du projet de fin d’études Réalisé par : BENMOUNAH SEIF EDDINE 1 Remerciements : je remercie Mm MENSOURI qui m’a permis d’effectuer mes études en automatique , et éventuellement de faire mon projet de fin d’études. Je remercie aussi Mr BENALLA qui ma encadrer durant le projet. Résumé sur le projet : La production annuelle d’eau de source d’une société s’élève aux environs de 22 millions de cols (bouteilles) cette production correspond à une consommation globale de 40 000 m3/an. La société envisage d’amener sa production annuelle à 36 millions de cols, soit un besoin total en eau de source de 60 000 m3. Elle doit donc augmenter ses capacités d’extraction et pour cela mettre en exploitation un nouveau forage (L4) assurant un débit maximum de 10 m3/h (donnée du cahier des charges défini par la société). Description de l’installation :L’eau est pompée à partir de 3 puits (L2 et L3 sont les plus anciens, L4 est l’objet de cette étude) L’eau est ensuite embouteillée sur 2 chaînes (une chaîne bouteilles plastique et une chaîne bouteilles verre) avant palettisation et stockage. Cette partie sera hors étude. * Distance du puits L2 à la cuverie : 650 m, Distance du puits L2 au puits L3 : 70m, Distance du puits L3 au puits L4 : 200 m puits L3 localcuverie (ancien) puits L2 puits L4 (nouveau) Liaison entre les puits et la cuverie (ancien) 100 m Usine d'embouteillage échelle approximative : (Groupe sourcesNessel) 2 Problématiques abordées :Pour répondre à la commande de production de cols, il est nécessaire de contrôler le débit et la qualité de l’eau. Cela conduira à dimensionner la pompe immergée et à déterminer les outils de contrôle indispensables. Armoire électrique vanne Refoulement vers cuverie (débit Q) Afficheur Enregistreur Transmetteur conductivimètre débitmètre AUTOMATE sol forage Liaison ETHERNET L4-cuverie moteur VARIATEUR pompe Alimentation électrique (câble C4) capteur de température capteur de niveau Les parties étudiées seront donc les suivantes : - L’automate programmable industriel (API), - dimensionner et choisir la pompe immergée - choisir un variateur et un moteur, - obtenir une qualité contrôlée : choisir les capteurs et l’instrumentation associée - alimenter le puits en énergie électrique : section de câble, choisir la protection Cahier des charges : - Débit compris entre 4 et10 m3.h-1, avec une moyenne à 7 m3.h-1, la pompe devra être dimensionnée pour le débit maximum, avec Une consigne pour le débit - Hauteur manométrique totale notée H = 130m, - niveau minimal de 30m - diamètre canalisation : 50mm 3 - L’étude hydraulique a montré que le moteur choisi doit être alimenté par un variateur de fréquence. - Une étude mécanique a abouti à un moteur diamètre 6 pouces (15.24 cm). - L’étude préalable et les essais ont montré que la fréquence ne devait pas être inférieure à 25 Hz. Les temps d’accélération et de décélération seront réglés à 3 secondes - La commande devariateur sera assurée par un automate programmable industriel (API) avec les contraintes suivantes : contacteur de ligne du variateur KMV mis sous tension dès que le circuit de commande est alimenté, commande marche / arrêt du variateur issue en commande 2 fils d’une sortie tout ou rien à « contact sec » de l’API, consigne de fréquence du variateur au format 0-10 V commandée par une sortie analogique de l’automate, information de défaut du variateur (contact normalement fermé) renvoyée sur une entrée 24 VDC de l’API, voyant défaut H2 en face avant de la porte de l’armoire commandé par le relais KA1, information de marche du variateur (contact normalement ouvert) transmise à une entrée 24 VDC de l’API, redémarrage automatique après un défaut, L’instrumentation :relever et transmettre les données d’exploitation du puits (débit, niveau) et de qualité de l’eau (conductivité, température). (Objectifs)L’ensemble de l’instrumentation du puits comprend : la mesure de la conductivité de l’eau (µS), la mesure du débit de pompage (m3.h-1), la mesure du niveau d’eau dans le puits (m), la mesure de la température de l’eau du puits (°C) Chacune de ces grandeurs doit être mesurée, affichée en face avant, enregistrée dans le local technique du puits, et transmise à la supervision de l’usine. Toutes ces grandeurs sont transmises au format 4-20 mA. Le synoptique de la solution retenue pour la partie mesures est le suivant : 4 I-Introduction: "Depuis toujours l'homme est en quête de bien être". Cette réflexion (qui rejoint la notion de besoin) peut paraître bien éloignée d'un cours de Sciences Industrielles, pourtant c'est la base de l'évolution des sciences en général, et de l'automatisation en particulier. L'homme a commencé par penser, concevoir et réaliser. Lorsqu'il a fallu multiplier le nombre d'objets fabriqués, produire en plus grand nombre, l'automatisation des tâches est alors apparue : remplacer l'homme dans des actions pénibles, délicates ou répétitives. Citons pour exemple quelques grands hommes, avec les premiers développements de 1'ère industrielle au 18ème siècle, Watt, avec ses systèmes de régulation à vapeur, Jacquard et ses métiers à tisser automatiques... Une liste exhaustive serait bien difficile à établir Enfin, le développement des connaissances, et des outils mathématiques, ont conduit à un formidable essor des systèmes automatisés, et des systèmes asservis, dans la deuxième moitié du 20ème siècle. Certains se hasardent à rapprocher l'Automatique et la philosophie, observant d'étranges similitudes entre les processus propres à l'homme et l'approche technologique. Mais au fait qu'est-ce qu'un système ? Bien difficile de répondre à une telle question ! Notre point de vue porte sur les systèmes de production et les systèmes pluritechniques en général, nous pouvons néanmoins en donner une définition plus large. Système : toute structure dont la fonction globale est de conférer une valeur ajoutée à un ensemble de matières d'œuvre, dans un contexte donné. Un système automatisé ou automatique est un système réalisant des opérations et pour lequel l'homme n'intervient que dans la programmation du système et dans son réglage. Les buts d'un système automatisé sont de réaliser des tâches complexes ou dangereuses pour l'homme, effectuer des tâches pénibles ou répétitives ou encore gagner en efficacité et en précision. II-Historique du développement des automates: 5 L'histoire des automates est étroitement liée aux découvertes théoriques dans le domaine des mathématiques et de la logique et aux développements technologiques en général. D'ailleurs, plus on progressera dans l'automatisation, plus grande sera la nécessité de trouver des moyens sophistiqués pour communiquer avec la machine, afin de lui donner les instructions nécessaires pour qu'elle effectue ces opérations. Vous trouverez à la suite des exemples de d'inventions qui ont compté dans l'évolution des automates : 1728 : les plaquettes de bois des métiers à tisser de Falcon 1805 : le métier à tisser de Jacquard à Lyon en France 1820 : L'automatisation du travail 1822 : The Différence Machine de Babbage 1832 : La machine analytique de Babbage 1854 : la logique de Boole 1879 : notation de Frege pour le raisonnement mécanique Depuis le 20ème siècle la cadence du développement est évasé, actuellement on a : a. Micro-contrôleur / DSP • prix très attractif • adapté aux applications de série (pas pour la production) • temps donc coût de développement importants • programmation (re-programmation) plus complexe b. Automate programmable («PLC») • plus coûteux (> 30000 FB) • programmation simple • très vaste gamme d’interfaces (PLC/capteurs, PLC/actionneurs, PLC/opérateur) • Très robuste : adapté au milieu industriel, gestion de bâtiments, 6 voies de communications, ... c. Micro-ordinateur («PC») • Stockage et traitement rapide de bcp d’informations (registres, mémoire, disque,…) • Hardware et Software III-Grafcet du système : 7 VI-étude des déférentes parties du système : VI-1-Automate Programmable Industriel (API): VI-1-1-Définition :Un Automate Programmable Industriel (API) est une machine électronique programmable par un personnel non informaticien et destiné à piloter en ambiance industrielle et en temps réel des procédés ou parties opératives. VI-1-2-Présentation : On nomme API Automate Programmable Industriel, (PLC en anglais Programmable Logic Controller) un dispositif similaire à un ordinateur,ayant des entrées et des sorties, utilisé pour automatiser des processus comme la commande des machines sur une ligne de montage dans une usine. Là où les systèmes automatisés plus anciens emploieraient des centaines ou des milliers de relais et de cames, un simple automate suffit. On nomme automaticiens les programmeurs de ces Automates Programmables Industriels. L'API est structuré autour d'une unité de calcul ou processeur (en anglais Central Processing Unit, CPU), d'une alimentation (depuis des tensions AC ou DC) et, de modules suivant les besoins de l'application, tel que: Des cartes d'entrées - sorties (en anglais Input - Output, I/O) numériques (Tout ou rien) ou analogiques - Cartes d'entrées pour brancher des capteurs, boutons poussoirs, ... - Cartes de sorties pour brancher des actionneurs, voyants, vannes, ... Des modules de communication Modbus, Modbus Plus, Profibus, InterBus, DeviceNet, LonWorks, Ethernet, FIPIO, FIPWAY, RS232, RS-485, AS-i, CANopen, pour dialoguer avec d'autres automates, des 8 entrées/sorties déportées, des supervisions ou autres interfaces homme-machine (IHM, en anglais Human Machine Interface, HMI)), ... Des modules dédiés métiers, tels que de comptage rapide, de pesage... Des modules d'interface pour la commande de mouvement, dits modules Motion, tels que démarreurs progressifs, variateurs de vitesse, commande d'axes. Des modules de dialogue (homme-machine) tel que le pupitre (tactile ou avec clavier) dialoguant avec l'automate par réseau industriel propriétaire ou non et affichant des messages ou une représentation du procédé. D'autres, plus anciens, étaient constitués d'une simple mémoire dont l'adresse d'entrée était constituée d'une concaténation de données d'entrée (senseurs, horloge) et de l'état précédent. Beaucoup moins onéreux, ils se prêtaient en revanche mal à une augmentation rapide du nombre d'états. Ils sont restés très utilisés pour des automatisations simples du style Antiblockiersystem (ABS) ou feux de signalisation aux carrefours. Les programmes des API sont traités selon un cycle précis : acquisition de toutes les entrées (recopie dans une mémoire image) - traitement des données (calculs) - mise à jour des sorties. Le temps d'un cycle d'API varie selon la taille du programme, la complexité des calculs et de la puissance de l'API. Le temps de cycle est généralement de l'ordre d'une vingtaine de millisecondes et est protégé par un chien de garde. Les API se caractérisent par rapport aux ordinateurs par leur fiabilité et leur facilité de maintenance (bien que les ordinateurs industriels atteignent également un très bon degré de fiabilité). Les modules peuvent être changés très facilement et le redémarrage des API est très rapide. L'absence d'interface Homme-machine (IHM, HMI en anglais) pour visualiser l'action et le fonctionnement du programme sur la partie opérative font que les automates sont très souvent reliés par une communication à un pupitre opérateur, une interface graphique (écran d'affichage ou écran tactile) ou un PC. Dans ce dernier cas, on parle de supervision (dans certains cas, le PC peut d'ailleurs être utilisé seul en regroupant les fonctions de l'API et de la supervision, grâce à l'utilisation d'un softplc). VI-1-3-Principe de fonctionnement : Le traitement à lieu en quatre phases : •Phase 1 : Gestion du système 9 •Autocontrôle de l’automate •Phase 2 : Acquisition des entrées Prise en compte des informations du module d’entrées et écriture de leur valeur dans RAM (zone DONNEE). •Phase 3 : Traitement des données Lecture du programme (située dans la RAM programme) par l’unité de traitement, Lecture des variables (RAM données), traitement et écriture des variables dans la RAM données. •Phase 4 : Emissions des ordres Lecture des variables de sorties dans la RAM données et transfert vers le module de sorties. VI-1-4-Choix de l’Api : D’après notre cahier des charges on a : Consigne format 0-10 V commandée par une sortie analogique de l’automate, information de défaut du variateur (contact normalement fermé) renvoyée sur une entrée 24 VDC de l’API, information de marche du variateur (contact normalement ouvert) transmise à une entrée 24 VDC de l’API commande marche / arrêt du variateur issue en commande 2 fils d’une sortie tout ou rien à « contact sec » de l’API D’après le cahier de charge l’automate adéquat à l’automatisation de ce système est : TSX37-21 001 qui a les caractéristiques suivantes : 10 Nous avons besoin des modules d’E/S dites « tout ou rien », le TSX DMZ 28 DR répondra à ces exigences. Il possède : - Entrées 24VDC - Sorties commandes par relais 11 VI-1-5-Electrovanne :Une électrovanne ou électrovalve est un dispositif commandé électriquement permettant d'autoriser ou d'interrompre par une action mécanique la circulation d'un fluide ou d'un gaz dans un circuit. Il existe deux types d'électrovannes : « tout ou rien » et « proportionnelle ». Les électrovannes dites de « tout ou rien » sont des électrovannes qui ne peuvent s'ouvrir qu'en entier ou pas du tout. L'état change suivant qu'elle soit alimentée électriquement ou non. Les électrovannes proportionnelles sont celles qui peuvent être ouvertes avec plus ou moins d'amplitude en fonction du besoin. Elles sont généralement utilisées grâce à une commande. Les électrovannes les plus courantes sont celles utilisées dans les lave-linge et lave-vaisselle pour le remplissage de la cuve. Elles sont aussi beaucoup 12 utilisées sur les chambres froides et autres systèmes de climatisation. Notre choit est l’électrovanne« tout ou rien » VI-1-6-La liaison entre l’API et l’électrovanne : L’automate se charge de la supervision du débit et de la conductivité à travers la vanne, et en fonction de la valeur prédéfini de ces derniers, il contrôle le flux d’eau, si la valeur est constante, c'est-à-dire entre 4 m3 et 10 m3, il ouvre la vanne. VI-2-La pompeimmergée: VI-2-1-Définition : Les pompes répondent toutes au même besoin : déplacer un liquide d’un point à un autre. Pour déplacer ce liquide, il faut lui communiquer de l'énergie. Les pompes remplissent cette fonction. Le moteur qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique ou électrique en énergie mécanique pour permettre le mouvement des organes des pompes. Cette énergie mécanique est retransmise au fluide. 13 Cette énergie fluide se traduit sous forme de débit (énergie cinétique) et de pression (énergie potentielle). Ces énergies vont s'échanger et se consommer dans les circuits de l'installation. La pompe immergée est une pompe à axe vertical conçue pour atteindre de grandes profondeurs grâce à la longueur de son tube d'aspiration. À ne pas confondre avec la pompe submersible caractérisée par son moteur étanche immergé dans le liquide à pomper. VI-2-2-Structure d’une pompe immergée : VI-2-2-a-Paliers avec canaux d'évacuation du sable :Tous les paliers sont lubrifiés à l'eau et ont un profil desection octogonale permettant d'évacuer les particulesde sable du liquide pompé. VI-2-2-b-Crépine d'aspiration :La crépine d'aspiration évite que les grosses particules n'entrent dans la pompe. VI-2-2-c-Clapet anti-retour :Toutes les pompes sont équipées d'un clapet anti-retour évitant un retour du liquide lorsque la pompe s'arrête.De plus, le laps de temps très court de fermeture du clapet réduit le plus possible le risque de coup de bélier. Le corps du clapet est conçu pour obtenir des caractéristiques hydrauliques optimales, afin de réduire les pertes de charge dans le clapet; ceci contribue à augmenter le rendement de la pompe. 14 VI-2-2-d-Vis d'amorçage :Toutes les pompes Grundfos 4" sont équipées d'un vis d'amorçage pour lubrifier les paliers de la pompe en cas de baisse du niveau d'eau. Cette vis d'amorçage remonte toujours une petite quantité d'eau lorsque les roues ne sont plus immergées. La conception des roues semi-axiales des grosses pompes SP permet de remplir cette fonction sans vis d'amorçage. Cependant pour tous les types de pompes, si le niveau minimum de l'eau n'atteint pas l'orifice d'aspiration, Aucune protection contre la marche à sec n'est assurée. VI-2-2-e-Bague d'arrêt :La bague d'arrêt protège la pompe pendant le transport et en cas de poussée axiale lors du démarrage. La bague d'arrêt limite les mouvements axiaux de l'arbre de pompe. La partie fixe de la bague d'arrêt (A) est maintenue dans la partie supérieure de la chambre supérieure. La partie tournante (B) est montée en dessus du cône de serrage (C). 15 VI-2-3-Principe de fonctionnement des pompes centrifuges : Les pompes centrifuges font partie de la famille des turbopompes. Dans les turbopompes une roue (rotor), munie d'aubes ou d'ailettes, animée d'un mouvement de rotation (arbre moteur), fournit au fluide l'énergie cinétique dont une partie est transformée en pression, par réduction de vitesse dans un organe appelé récupérateur (stator). Les turbopompes et les pompes centrifuges sont distinguées suivant la forme de la roue Cf. La force motrice d'entraînement de l'arbre peut provenir d’un moteur thermique, d’un moteur électrique immergée ou émergée ou encore toute autre force comme, par exemple, une turbine sur un fleuve. VI-2-4-Choix de la pompe: On a le débit compris 3 -1 3. -1 entre 4 et10 m .h , avec une moyenne à 7 m h ,On trouve la pompe SP8A D'après la courbe de performances suivante: (Catalogue Grundfos 2008) 16 Courbe 1 VI-2-4-Les dimensions de la pompe : Tableau 1 Donc notre choix est la pompe SP8A-44 grâce à les spécifications suivantes: 17 Hauteur satisfaisante 140m notre hauteur de puits est 130m Le poids est moins élevé que la pompe SP8A-50 (tableau 1) C ourbe 2 10 m3/h est le débit maximum 18 VI-3-Le Moteurimmergé: VI-3-1-Définition : La machine asynchrone, connue également sous le terme « anglo-saxon » de machine à induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Les machines possédant un rotor « en cage d'écureuil » sont aussi connues sous le nom de machines à cage ou machines à cage d'écureuil. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent. La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. La machine asynchrone est utilisée aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), dans l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elle était à l'origine uniquement utilisée en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, elle est de plus en plus souvent utilisée en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes. Pour fonctionner en courant monophasé, les machines asynchrones nécessitent un système de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés. Une gamme complète de moteurD'après le catalogue Grundfos la gamme complète de moteursimmergés à des tensions différentes: Moteurs immergés, MS: • Moteurs 4'', monophasés jusqu'à 2,2 kW: 2 fils-3 fils • Moteurs 4'', triphasés jusqu'à 7,5 kW • Moteurs 6'', triphasés de 5,5 kW à 30 kW VI-3-2-Choix du Moteur: Notre choix est bien sur un moteur MS 4000 ; 6 pouces d'après le (dimensions de la pompe) tableau 1 Caractéristiques du moteur d’entraînement : Pu=7,5 kW ; nN=2870 tr.min-1 19 Moteur 6" Montage moteur - pompe VI-3-3-Protection du moteur: VI-3-3-a-Protection contre les surchauffes:Les moteurs immergés est équipé d'une protection contre les surchauffes.Lorsque la température devient trop élevée, le dispositif de protection déclenche la pompe. On peut ainsi éviter des dommages préjudiciables à la pompe.Le redémarrage de la pompe après son déclenchement peut être effectué de 2 façons : • manuel • automatique. Une unité de commande tente de redémarrer le moteur après 15 minutes. Si la première tentative n'est pas réussie, une tentative de redémarrage sera faite toutes les 30 minutes. Le moteur est équipés d'un capteur de température intégré pour la protection contre les surchauffes. Par l'intermédiaire de ce capteur, il est possible de lire et/ou surveiller la température du moteur via une unité de commande VI-3-3-b-Protection contre la poussée axiale Lors du démarrage d'une pompe, il se peut qu'il n'y ait pas de résistance due à la pression; la contre-réaction (appelée poussée axiale) risque de soulever le corps de pompe et d'entrainer la détérioration à la fois de la pompe et du moteur. Le moteur a une bague d'arrêt encaissant cette poussée axiale. Ce dispositif empêche toute détérioration de la pompe pendant la phase critique du démarrage. Le moteur est équipés d'un capteur de pressoin intégré pour la détection du poussée axiale. VI-4-le variateur de vitesse: 20 VI-4-1-Définition:Un variateur de vitesse est un équipement électrotechnique alimentant un moteur électrique de façon à pouvoir faire varier sa vitesse de manière continue, de l'arrêt jusqu’à sa vitesse nominale. La vitesse peut être proportionnelle à une valeur analogique fournie par un potentiomètre, ou par une commande externe : un signal de commande analogique ou numérique, issue d'une unité de contrôle. Un variateur de vitesse est constitué d'un redresseur combiné à un onduleur. Le redresseur va permettre d'obtenir un courant quasi continu. À partir de ce courant continu, l'onduleur (bien souvent à Modulation de largeur d'impulsion ou MLI) va permettre de créer un système triphasé de tensions alternatives dont on pourra faire varier la valeur efficace et la fréquence. Le fait de conserver le rapport de la valeur efficace du fondamental de la tension par la fréquence (U1/f) constant permet de maintenir un flux tournant constant dans la machine et donc de maintenir constante la fonction reliant la valeur du couple en fonction de (ns - n). VI-4-2-Principe de fonctionnement : Dans un moteur à courant alternatif, la vitesse mécanique du rotor est liée à la fréquence des courants au stator. Ce lien mathématique rend possible une commande de la vitesse du rotor par la commande de la fréquence du courant au stator. C'est ce que l'on appelle la condition de synchronisme qui s'exprime différemment selon que l'on considère une machine synchrone ou une machine asynchrone. Pour une machine synchrone, la condition de synchronisme est : Avec: Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute f, la fréquence d'alimentation en hertz p, le nombre de paires de pôles Pour une machine asynchrone, la condition de synchronisme est : Avec: g, le glissement en % Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute 21 N, la vitesse de l'arbre (vitesse réelle) en tours par minute Ainsi, il existe une relation directe entre le pilotage de la fréquence du courant au stator et la vitesse mécanique du rotor qui permet, pour toute vitesse mécanique souhaitée, de fixer la fréquence statorique correspondante. C'est sur ce principe que se base le fonctionnement du variateur de vitesse : commander une vitesse de rotation mécanique en commandant la fréquence du courant statorique. Bien que les machines à courant alternatif soient connues depuis le 19 eme siècle, c'est l'amélioration des variateurs de vitesse (grâce aux progrès de l'électronique de puissance) qui va leur permettre de s'imposer sur les machines à courant continu. En particulier, la machine synchrone était autrefois difficile à commander faute de dispositif garantissant la condition de synchronisme entre le rotor et le stator. On réalisait alors un accrochage, c'est-à-dire un entraînement du rotor à l'aide d'une génératrice à la vitesse souhaitée avant d'alimenter le stator. Il existait aussi certaines machines synchrones équipées de bobines rotoriques en court-circuit pour permettre un démarrage en machine asynchrone puis un fonctionnement en mode synchrone. VI-4-3-Choix de variateur : Critères déterminants: Pu=7.5kW; réseau 3x400 V Référence:ATV61HU75N4 (d'après le catalogue de Télémécanique) 22 23 VI-4-4-Chaine d’énergie avec le variateur et le moteur: L'automate programmable industriel (API) de la chaine d'information envoie une consigne analogique sous forme d'une tension continue au variateur. Le variateur alimenté le moteur avec une fréquence de courant proportionnelle à cette consigne l'automate doit être équipé d'un module de conversion numérique /analogique. 24 VI-5-Capteur de température : Notre choit ; Thermomètres numériques industriels : Modèle DTG01 Caractéristiques : • Grand écran DEL rouge de1/2" à 4 chiffres, • Sortie de 4-20mA étalonnée à l'usine pour gamme de température de 0°C à 100°C. • Gamme de température de service de -50 à 200°C • Échelle programmable par logiciel en °C , °K ou °F, • Étalonnage à 1 ou 2 points à partir du logiciel • Détection de circuit ouvert • Interrupteur de sortie optionnel • Performance stable et précise • Utilise un RTD Pt-100 pour capture de la température (sonde) • Construit en acier inox 316 avec fenêtre en Lexan, sonde de 1/4" de diamètre 25 VI-6-capteur de niveau : VI-6-1-Définition: Une sonde de pression (ou capteur de pression) est un dispositif destiné à convertir les variations de pression en variations de tension électrique. Lorsque la sonde est reliée à un système numérique, les variations analogiques sont d'abord converties en signaux numériquesbinaires par un convertisseur analogique-numérique avant d'être transmises à l'ordinateur de contrôle et de gestion. L'unité de pression fournie par la sonde peut être exprimée en différentes unités, telle que bar, pascal, etc. III-6-2-Waterpilot FMX 167 Hydrostatique (capteur de niveau) : 26 VI-7-Le conductivimètre : VI-7-1-Définitions : VI-7-1-a-Conduction de l'électricité d'une solution : Le caractère conducteur de l'électricité d'une solution, est uniquement dû aux ions qu'elle contient. Une solution qui contient des ions est appelée ; solution électrolytique. En l'absence d'ions, un liquide ne conduit quasiment pas le courant électrique : c’est quasiment un isolant. Pour qu'une solution électrolytique soit traversée par un courant électrique, il faut plonger deux électrodes conductrices dans la solution et leur appliquer une tension électrique. Dans une solution électrolytique traversée par un courant continu: • les cations (ou ions positifs ) migrent vers l'électrode reliée au pôle négatif. • les anions (ou ions négatifs ) migrent vers l'électrode reliée au pôle positif. VI-7-1-b-Conductance d'une portion de solution :On appelle "Conductance" d'une portion de solution, la grandeur notée G, égale à l'inverse de la résistance. L'expérience montre que si l'on applique une tension alternative sinusoïdale, devaleur efficace U, entre deux électrodes situées en regard, plongeant dans une solutionaqueuse électrolytique « suffisamment diluée», elle est alors parcourue par uncourant alternatif sinusoïdal de valeur efficace I proportionnelle à U : I = G. U Le coefficient G est appelé conductance de la portion de solution comprise entre les deux électrodes. L'ensemble des deux plaques rectangulaires s'appelle " cellule conductimétrique". G est en siemens ( S) quandIest en ampère ( A) et U est en volt ( V). (G=I/U) VI-7-1-c-Conductivité d'une solution électrolytique : La conductance G d'une portion de solution électrolytique comprise entre deux électrodes planes identiques parallèles et en regard : • est proportionnelle à l'aire S des électrodes ; • est inversement proportionnelle à la distance L entre les électrodes ; On peut donc écrire :G=σ.S /L où le facteur de proportionnalité σ est appelé conductivité de la solution. σ = G.L/S=k.G La constante k = L/S ; est appelée constante de cellule : elle est exprimée en m-1 ; G est exprimée en siemens (S) ; La conductivité σ est exprimée en S.m-1 dans le système international 27 VI-7-2-conductimètre : Un conductimètre, ou conductivimètre, est un appareil permettant de mesurer une propriété de conductivité. La conductivité d'une solution est définie comme l'inverse de la résistance d'un volume de 1,0 cm3de solution. Sa mesure s'effectue par l'utilisation d'une cellule de conductivité couplée à un conductivimètre et la conductivité s'exprime en μS/cm. Il existe des conductivimètres spécifiques à certaines applications : -mesure de la conductivité électrique d'une solution. Cet appareil est composé d'un générateur basse fréquence (courant alternatif), d'un ampèremètre et d'un voltmètre. Cette technique a été développée par Friedrich Kohlrausch en 1874 (Loi de Kohlrausch) -mesure de la conductivité thermique. La mesure de conductivité électrique peut aussi permettre de mesurer de l'humidité d'un matériau (plâtre, bois, cuir, etc.) ou de végétaux (meule de foin, grains, houblon, etc.). L'appareil spécifique est alors appelé hygromètre. VI-7-3-Le conductivimètre : Liquisys M CLM223/253 Mesure de conductivité/résistivité Transmetteur pour cellules de mesure conductives et inductives VI-7-3-a-Domaines d'application : Le concept modulaire du Liquisys M CLM223/253 permet une très bonne adaptation à une large gamme d'applications. La version de base comprenant les fonctions de mesure et d'alarme peut être complétée ultérieurement avec des modules software et hardware additionnels pour des besoins plus spécifiques. VI-7-3-b-Principaux avantages : * Transmetteur en boîtier de terrain ou monté en façade d'armoire électrique * Universel * Simple * Structure de menus simple 28 * Etalonnage via la touche CAL * Assure – Protection contre les surtensions (parafoudre) – Commande manuelle des contacts – Configuration libre des alarmes La version de base est étendue avec : - 2 ou 4 contacts, utilisables comme : – Contacts de seuil (également pour température) – Régulateur PID, PI, PD – Timer pour des rinçages simples *L'ensemble de mesure complet comprend : - le transmetteur Liquisys M CLM223 ou CLM253 - une cellule avec ou sans sonde de température intégrée - un câble de mesure CYK71 (mesure conductive) VI-7-3-c-Interface utilisateur : Eléments de commande : 1 : Afficheur LCD pour l'affichage de la valeur mesurée et des données de configuration 2 : Zone libre d'inscription pour l'utilisateur 3 : 4 touches de commande pour l'étalonnage et la configuration de l'appareil 4 : Touche de commutation mode automatique/mode manuel des relais 5 : DEL pour les contacts de seuil (état de commutation) 6 : DEL pour la fonction alarme 7 : Affichage du contact actif et touche de commutation des relais en mode manuel 29 VI-8-Cellule de conductivité ConduMax W CLS 21 : Cellules de mesure à deux électrodes avec connecteur ou câble surmoulé, sonde de température intégrée. Constante de cellule c = 1. VI-8-1-Définition : Les cellules de mesure de conductivité ont été spécialement conçues pour la mesure de conductivité moyenne ou élevée. La gamme de mesure des cellules avec une constante de cellule c = 1 est de 10 μS/cm à 20 mS/cm. VI-8-2-Avantages en bref : - Grande résistance aux contraintes chimiques, thermiques et mécaniques . - Montage sur une conduite ou dans une chambre de passage. VI-8-3-Principe de fonctionnement et construction du système : La cellule de mesure à deux électrodes ConduMax W CLS 21 reçoit une tension alternative du transmetteur de mesure de conductivité. Le courant alternatif qui passe d’une électrode de mesure à l’autre par le produit est proportionnel à la conductivité du liquide. Les cellules de mesure peuvent être utilisées à des températures pouvant aller jusqu’à 150°C. 30 VI-9-Debitmetre : VI-9-1-Définition: Un débitmètre est un appareil destiné à mesurer le débit d'un fluide (liquide ou gaze). Selon le niveau du débit et la nature du fluide, le principe du débitmètre adapté est très variable : - certains sont basés sur la mesure de la vitesse du fluide comme les anémomètres . - on peut également utiliser la mesure de la perte de charge (perte de pression) ou pression différentielle entre un repère amont et un repère aval, ceci à l'aide d'une plaque à orifice, d'un débitmètre électromagnétique. - il existe aussi le débitmètre massique . - Pour les liquides conducteurs, l'emploi d'un débitmètre électromagnétique peut être opportun. VI-9-2-Débitmètre électromagnétique promag 50/53 W : VI-9-2-a-Avantages en bref : - Diamètres nominaux DN 25...2000. - Revêtement ébonite ou polyuréthane. - Service et maintenance simplifiées. - Affichage rétro éclairé pour une lecture aisée des mesures. - Promag 50 (commande par bouton-poussoir, affichage à deux lignes). - Promag 53 (commande “Touch Control” sans ouverture du boitier, affichage quatre lignes) - Menus “Quick Setup” pour une mise en service simplifiée sur le terrain. VI-9-2-b-Domaines d’application : Tous les liquides avec une conductivité minimale > 5 µS/cm peuvent êtremesurés : - eau potable 31 - eaux usées - boues d’épuration,… etc. VI-9-2-c-principe de mesure : Selon la Loi d’induction d’après Faraday, une tension est induite dans un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique. Appliqué au principe de mesure électromagnétique, c’est le liquide traversant le capteur qui correspond au conducteur. La tension induite, proportionnelle à la vitesse de passage, est transmise à l’amplificateur par deux électrodes de mesure. Le champ magnétique est engendré par un courant continu alterné. Ue = B · L · v Q=A·v Ue = tension induite B = induction magnétique (champ magnétique) L = distance entre les électrodes v = vitesse d’écoulement Q = débit volumique A = section de tube I = intensité du courant VI-9-2-d-Ensemble de mesure : L’ensemble de mesure comprend un transmetteur et un capteur. * Transmetteur : - Promag 53 (commande “Touch Control” sans ouverture du boitier, affichage quatre lignes) * Capteur : Promag W (DN 25...2000) Séparation galvanique :Tous les circuits de courant pour les entrées, sorties et pour l’alimentation sont galvaniquementséparés entre eux. 32 Tension d’alimentation 20...55 V AC, 45...65 Hz 16...64 V DC Consommation AC : <15 VA (y compris capteur) DC : <15 W (y compris capteur) Courant de mise en marche: max. 13,5 A (< 50 ms) pour 24 V DC max. 3A (< 5 ms) pour 260 V AC Coupure de l’alimentation Insensible aux coupures < 1 période de réseau (≤ 20 ms) EEPROM (seulement Promag 53) sauvegardent les données système en cas decoupure de l’alimentation. VI-10-L’afficheur enregistreur : L’afficheur enregistreur choisi est Ecograph T RSG30 VI-10-1-Référence de l’afficheur enregistreur : Standard Français Modèle pour armoire Carte CF (64, 128, 256,512) MB ETHERNET imposé Alimenté en 230 VAC 6 entrées Capacité de la carte mémoire : Une donnée occupe 32 bits ( 4 octets). Une mesure de 4 données occupe 4x4=16 octets . Il y a 1 mesure par minute, soit 60x24x30 mesures par mois, entre 2 relevés, soit 43 200 mesures, soit 43 200x16=691 000 octets ,ce qui ne représente même pas un MB. L’ensemble configuration+données occupera moins de 6 MB, une carte 64 MB suffit largement. 33 Ecograph T ; Enregistreur sans papier RSG30 : Afficher, enregistrer et transmettre VI-10-2-Domaines d'application : Les domaines d'application concernent de nombreux branches et secteurs industriels : • Surveillance de qualité et de quantité dans l'industrie de l'eau et des eaux usées • Surveillance des processus dans les centrales électriques • Processus agroalimentaires et laitiers • Affichage et enregistrement de paramètres critiques du déroulement d'une production • Surveillance de cuve et de niveau • Surveillance de température en traitement des métaux • Surveillance de chambres froides et transports réfrigérés VI-10-3-Principaux avantages : • Informatif : évaluations intermédiaire, journalière, mensuelle et annuelle; états des compteurs, durées de fonctionnement et quantités; enregistrement des valeurs min, max et moyenne • Polyvalent : jusqu'à 6 entrées universelles enregistrent tous les signaux de mesure • Vue d'ensemble : afficheur couleurs, représentation digitale, par courbe • Compact : faible profondeur de montage, gain de place et d'argent • Assur : archivage fiable par mémoire interne et carte Compact Flash séparée (verrouillage mécanique) Pas de perte de données même en cas de coupure de courant • Compatible système : intégration réseau et transmission de données à distance via Ethernet, RS232/RS485 (Modem) et USB • Disponibilité mondiale : fonction Web-server intégrée • Intelligent : calculs via fonctions mathématiques • Fiable : séparation galvanique des entrées • Complet : logiciel PC pour un traitement de données professionnel. 34 Principe de mesure : Enregistrement électronique, affichage, représentation, exploitation, transmission à distance et archivage de signaux d'entrée analogiques et digitaux. Ensemble de mesure : Système de représentation de données multivoiesavec afficheur LCD couleurs (diagonale écran 120 mm/47"), entrées universelles galvaniquement séparées, entrée digitale, alimentation de transmetteur, relais de seuil, interfaces de communication (USB, Ethernet, RS232/485), mémoire flash interne et carte CompactFlash. Taux d'échantillonnage de 100 ms pour toutes les voies. Logiciel ReadWin® 2000 PC pour la configuration de l'appareil et une exploitation de données hors ligne. VI-11-Alimentation en énergie et protection électrique de l’équipement : Objectif : il s’agit d’alimenter le puits en énergie en toute sécurité en respectant les contraintes normatives. VI-11-1-Câble (BT) d’alimentation en énergie électrique : VI-11-1-a-Caractéristiques de l’alimentation électrique et schémas : La distribution basse tension se fait en 3x400 V, avec un schéma de liaisons à la terre de type IT. 35 VI-11-1-b-Schéma unifilaire (extrait) montrant la liaison entre le TGBT et le puits : T1 630 kVA QA QB TGBT câble 2 désignation C2 longueur l 2=650 m section par phase S2=70 mm² QC Puits L2 désignation C3 longueur l 3=70 m section par phase S2=35 mm² câble 3 QD QE câble 4 Puits L3 désignation C4 longueur l 4=200 m Q0 Puits L4 VI-11-1-c-Synthèse des chutes de tension : La chute de tension admissible vaut 6 % (schéma IT, poste d’abonné, éclairage). Liaison Ib (A) longueur section ΔU (V/A/km) ΔU ( V) ΔU (%) C2 45 650 70 0,57 16,7 4,2 C3 30 70 35 1,1 2,3 0,6 Total 4,8 % La chute de tension admissible sur le tronçon C4 sera de 6-4,8=1,2 % VI-11-1-d-Section du câble L4 : La liaison C4 a pour longueur 200 m (0,2 km) et pour courant d’emploi I=15 A. La chute de tension vaut 1,2x400=4,8 V, soit 1,6 V/A/km. Norme UTE C15-105 36 La section correspondante est Sph=25 mm² VI-11-2-Calcul des courants de courts-circuits : La norme NF C15-100 donne la formule de calcul du courant de court-circuit triphasé symétrique : I k 3 max c max .m.U O 2 R Q R T R Uph 0 X Q X T X Uph Sn ph n ph Repère Signification Indications de valeur ou de calcul Valeur retenue Cmax Facteur de tension maximum 1,05 1,05 m Facteur de charge 1,05 1,05 U0 Tension nominale entre phase et neutre 230 V RQ Résistance en 0,04 mΩ 37 2 amont de la source XQ Réactance en amont de la source 0,35 mΩ RT Résistance de la source 2,6 mΩ XT Réactance de la source 8,1 mΩ RUph Résistance d’un conducteur de phase depuis la source jusqu’à l’origine du circuit considéré Sommer toutes les résistances des conducteurs amont Réactance d’un conducteur de phase depuis la source jusqu’à l’origine du circuit considéré Sommer toutes les réactances des conducteurs amont XUph par 0 sur S 0 ( 2 3 650 70 ) = 18,51.10 3 ( ) S2 S3 70 35 =0,21 Ω liaisons L2 et L3 par sur ( 2 3) 0,08.10-3.720 =0,058 Ω liaisons L2 et L3 ρ0 Résistivité du conducteur à 20 °C 0,01851 Ωmm².m-1 λ Réactance linéique des conducteurs 0,08 mΩ.m-1 Longueur de la canalisation (en m) Sur liaison L4 200 m S Section des conducteurs de phase du circuit considéré Sur liaison L4 25 mm² nph Nombre de conducteurs en parallèle par phase Sur liaison L4 1 I k 3 max 254 2 3 3 3 2,64.10 R Uph 0,01851 8,45.10 X Uph 0,08.10 Sn ph n ph 38 =690 A 2 * I k 3 min cmin .m.U O 2 L L RQ RT 2 RUph 2 1 X Q X T 2 X Uph 2 Sn ph n ph 2 Dans cette relation, cmin représente le facteur de tension minimum, pris égal à 0,95 et ρ1 la résistivité du conducteur (cuivre) à chaud prise égale à 0,023 Ωmm².m-1. L’application numérique aboutit à : Ik3 min=290 A VI-11-3-La protection : Notre choit : DISJONCTEUR C60N Rappel : Selon norme IEC 947-2 : Courbe B entre 3,2 et 4,8 In Courbe C entre 7 et 10 In Courbe D entre 10 et 14 In Critères de choix : Nombre de pôles : 3 Courant d’emploi : 15 A 39 PdC supérieur à 690 A Déclenchement instantané sous 290 A Référence : Les 3 courbes B, C et D conviennent, on choisit 23955 ou 24215 ou 24602, la courbe B étant la plus indiquée ; DISJONCTEUR C60N 23955 est notre choit 40
