TP Régulation-du-niveau-d’eau-dans-un-réservoir

Par : Ridha MAHJOUB
Travaux Pratiques : Systèmes automatisés 1 41
TP8. Régulation du niveau d’eau dans
un réservoir par un API S7-1200
ButduTP:
LebutdeceTPestderéaliserunerégulationdeniveaud’eaudansunréservoirdestockage
parunautomateprogrammableindustrielSimaticS7‐1200.
1.Introduction
Lagestiondessystèmesdestockagedel'eauestimportantedansdenombreuxsecteurs,tels
que l'agriculture et les usines de fabrication industrielles et agroalimentaires. Un aspect
importantàprendreencompteestleniveaud'eaudansleréservoirdestockageutilisédans
lesystèmed’irrigationoudefabrication.Leplusimportantseradecontrôlerleniveaud’eau
afinderépondreauxbesoinspropresduconsommateur.Poursefaire,denombreusesétudes
decontrôleautomatiqueontétémenées,lecontrôleurdeniveaud'eauleplusacceptéestle
régulateurPIclassiquequiestlargementutilisédansleslaboratoiresetlesecteurindustriel.
Eneffet,lamaquetteconçuepuisréalisée,constituerauneplateformepolyvalentequipeut
êtreexploité,soitdanslecadredel’enseignementparladispensions de plusieurs travaux
pratiquesenlaboratoire,soitdanslecadredelarecherchescientifiques par la réalisation
d’essaisexpérimentauxpourlavalidationdesrésultatsthéoriquesoudesimulation.
LaphotoréelledelamaquetteconçuepuisréaliséeestprésentéeparlaFigure1.
Figure 11. Photo réelle de la maquette prototype du système

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Afindefaciliterladescriptiondelamaquettedusystèmestockaged’eau,nousprésentons
sonschémafonctionnelgénéraliséàlaFigure2.
Figure2.Schémafonctionnelgénéralisédusystème
2.Descriptiondelamaquetteprototype
De vue, la maquette de stockage d’eau, illustré par la Figure 3, comprend un réservoir
supérieur gradué pour le stockage d'eau, unréservoir puits pour l’extraction etla collecte
d'eau,unemotopompederemplissage,unevannedefuiteàréglagemanueletdesmodules
électroniquesdepuissanceetdecommande.
Onpeutorganiserlamaquetteparlespartiessuivantes:
‐Lapartieopératoire:ellecomportelesréservoirs,lehacheursérieetunemotopompede
surface;
‐Lapartiedelecturededonnées:elleestconstituéeparlecapteurdepressiondifférentielle
auquelestassociéunecartedemesure;
‐Lapartiecommande:elleestconstituéeparunautomateprogrammableSimaticS7‐1200,
unordinateurperformantetl’environnementTIA‐Portalpourlecontrôledusystème.
Microcontrôleur
STM32
Hacheur série
Modules
électroniques
Mesure du
niveau
Réservoir de
stockage
Réservoir pu its
Vanne
ajustable
Pompe1
Lecture
Enregistrement
et exploitation
Programmation
Lois de
commande
Pompe2
Onduleur
monophasé
Automate
programmable
Siemens 1200
Figure3.Schémadescriptifdelamaquettedestockaged’eau

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2.1.Lapartieopératoire
Lapartieopératoiredelamaquettecommenceparlamotopompe,quireçoitlesignalde
commandeetletransformeendébitd'eaudansleréservoirdestockage.
Lescomposantsdecettepartiesont:
- Un réservoir supérieur de stockage en plexiglas transparent permettant de montrer
l'évolutionduniveaudel'eau.Deplus,leplexiglasestmoinsdangereuxqueleverrelorsqu'il
estcassé.Leréservoirsupérieuràuneformeparallélépipédique,avecunehauteurde30cm
etunelargeurde19.2cmetuneépaisseurde17.8cm(voirFigure4).Ceréservoirestdoté
d’unegraduationpermettantdelireleniveaud'eauetdedeuxsortiespourlavidangede
l’eau,lapremièreestunesortiedeconsommationetlasecondeestconsidéréecommele
niveaumaximald’eauacceptédansleréservoir.
19.2 cm
30 cm
Entrée de remplissage
Sortie d’évacuation
Sortie de trop-plein
Figure4.Réservoirsupérieurdestockage
- Un réservoir puits représentant la source d’eau, il est naturellement plus grand que le
réservoirduhaut.Ilauneformecylindrique,avec34cmdehauteuret28cmdediamètre.Il
peutcontenirjusqu'à21litres.Ceréservoirestenplastiquedurettransparent.
- Unemotopompepourleremplissageduréservoirsupérieur(voirfigure5).Quiutiliseune
tensioncontinuevariablede0à15V,elleconsommeenfonctionnementnominaluncourant
de4A,elleestcomposéed'uneentréed'aspirationde20mm(diamètre),d'unesortiede
déchargede5mm(diamètre),d'unepompehermétiqueetd'uncâbled'alimentation.
Figure5.Motopompesderemplissageàcourantcontinu
- Unevanneàréglagemanuelplacéeaumilieudelamaquettepermettantundébitdefuite
variable pour le réservoir de stockage et introduit aussi des perturbations dans le
fonctionnementstatique.

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- Unorificedesortiedediamètresuffisammentlargepourgarantirdeuxfonctions:éviterun
débordementdansleréservoirsupérieur(trop‐plein),encasdedéfaillancedusystèmeou
dedépassementimportant,maintenirlapressionatmosphériquedansleréservoirpuitset
empêcherainsilacréationd'unvidelorsquel’unedesmotopompesaspiredel'eau.
2.2.Lesmodulesélectroniquesdepuissanceetdecommande
LesModulesélectroniquesassurentl’alimentation,lalecture, laconversionetl'adaptation
desdonnéesentreleprocessusetl’unitédecommande.Cesmodulestelsqu’ilssontillustrés
àlaFigure6,regroupentlescartesélectroniquesnécessairesàcesujet.
Figure6.Schémablocdesmodulesélectroniquesdepuissanceetdecommande
Pour alimenter la motopompe à courant continu, nous avons recourt à un panneau
photovoltaïque 70W/17.5V/4A et nous avons conçu une carte de puissance. Il s’agit d’un
hacheur série à MOSFET utilisant une commande basée sur la modulation de largeur
d’impulsion (MLI). Le hacheur sériedélivreunsignalpériodique dont le rapport cyclique
permetdefixerlavaleurmoyennedelatensionauxbornesdelamotopompe.Uneisolation
galvanique entre le module de commande et la carte de puissanceestessentielle.Nous
assuronscetteisolationparl’utilisationd’uncircuitdedécouplageoptiquecommeestmontré
àlaFigure7.
Figure7.HacheursérieàMOSFET

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Afinquel’unitédecontrôlesurveillecorrectementleprocessus,lecontrôleurdoitavoirune
tension mesurée bien adaptée au niveau réel de l’eau dans le réservoir. Un capteur de
pression différentielle, référencé HONEYWELL 26PCAFA6D,mesurelapressionàla
profondeur du réservoir par rapport à la pression atmosphérique.Lecapteurdélivreune
tensionvariabledezéroà17mVparrapportàlapression.Pouradapterlatensiondesortie
ducapteuràl'échelledesconvertisseursADCdel’API,ilestnécessaire d'ajouter un
amplificateurpourpermettredelireuneimagecorrecteduniveaud'eau.Lafigure8montre
lecircuitélectroniquedelacartedemesurecontenantlecapteur de pression, un
amplificateurdifférentieletuncircuitderéglaged’offset.
Figure8.Cartedemesureduniveaud’eau
Pourunehauteurdecolonned'eauégaleà30cm,nousobtenonsunetensionàlasortiedu
capteurégaleà7,285mV,nouspouvonsdonccalculerlegaindel’amplificationnécessaire:
3
411.78
7.2855 1
3
0
G
(1)
Afin de vérifier la sensibilité du capteur et la linéarité de sa réponse au changement de
pression,uneopérationd'étalonnageestnécessaire.Ceciestréaliséenfaisantvarierleniveau
d’eaudansleréservoiretenenregistrantlesvaleursdelatensionàlasortiedelacartede
mesuredansleTableau1.
Tableau1.Variationdelatensionmesuréeenfonctionduniveaud’eau
H(cm) 0 3 6 9 12 15
V
out
(V) 0 0.31 0.6 0.89 1.2 1.5
H(cm) 18 21 24 27 30 ‐
V
out
(V) 1.8 2.12 2.4 2.68 3 ‐
Lacourbed'étalonnage,présentéeàlaFigure9,estlinéaireetmontrequelatensionmesurée
varieproportionnellementavecleniveaud'eausansavoirbesoinàcompenserlatensionde
décalageducapteuràchaquefois.