Etude pratique d'un positionneur de vanne intelligent by malj

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									Etude pratique d'un positionneur de vanne "intelligent"
  (Constructeur: Société NELES       Type: ND 800)
     1. Introduction
        Un positionneur de vanne est dit "intelligent" lorsque, en plus de sa fonction de base de
     positionneur qui est de garantir la position correcte de l'obturateur par rapport au siège pour
     un signal de commande donné, il permet de réaliser, grâce à ses composants, en particulier
     son microprocesseur:
     -   un dialogue à distance, car il possède des circuits de communication. Cela permet à
         distance à partir d'un système de conduite, d'un ordinateur, d'une micro-console, … de
         l'identifier, l'interroger, le configurer, suivre son fonctionnement donc celui de la vanne,
         …
     -   un réglage plus précis effectué par la vanne du fait d'un asservissement à l'aide d'un
         capteur de position et du calcul selon un algorithme numérique de l'action nécessaire sur
         le servomoteur de vanne
     -   un auto-réglage, un auto-étalonnage, une auto-vérification, un auto-diagnostic en cas de
         panne d'un de ses composants (il indique lui-même quel est son composant défectueux),
         un suivi statistique de certains paramètres, un test avec visualisation graphique de ses
         performances statiques ou dynamiques (exemple: hystérésis, temps de réponse)…
     -   une modification aisée et précise de certaines caractéristiques de l'ensemble vanne +
         positionneur, en particulier sa caractéristique statique qui peut ainsi être parfaitement
         adaptée au procédé.
     -   …
     La liste de ses avantages par rapport à un positionneur classique n'est pas exhaustive.
     Evidemment, en contrepartie, les branchements sont plus complexes, et, du fait des nombreux
     composants, pour que le risque de panne soit acceptable, ceux-ci doivent avoir une grande
     fiabilité. Le prix est donc plus élevé, même s'il diminue au fil des années.
     Les premiers positionneurs "intelligents" ont été commercialisés à partir de 1995.

     2. Présentation du matériel et branchements nécessaires


                                               Servomoteur
                                               pneumatique


  Réseau
 air 5 bars                                    Corps de vanne à
                                               obturateur rotatif


                       ND
                       800


                                                                                          Ordinateur
                                                                                           Type PC
                                      +                      Petite boite d'inter-
                                                              face série RS 232
                                                             avec modem HART
Alimentation. Générateur de courant            Résistance
   24 V =     4..20 mA type GT 420               250           Clef (dongle) à
                                                                enficher sur le
                             mA                                  port // du PC
    Milliampèremètre
Alimentation en air
Il suffit de raccorder l'entrée du détendeur (déjà monté sur l'ensemble vanne + positionneur)
sur le raccord pour tube souple "4/6" d'une prise d'alimentation en air sec et déshuilé du
réseau lycée (pression environ 5 bars).
Les autres branchements sont déjà réalisés: liaison entre la sortie du détendeur et le
positionneur ND 800 et liaison entre la sortie de ce positionneur et l'entrée de commande du
servomoteur. Voir schéma page précédente.
Circuit de commande conventionnelle 4..20 mA. Voir schéma.
Réaliser le branchement classique d'une boucle de courant 4..20 mA, chaque appareil
(récepteur) ayant deux bornes + et – et étant relié en série avec le suivant.
Ces 4 récepteurs sont:
- le "générateur" de courant type GT 420 (qui est en fait un variateur de courant),
- le positionneur intelligent type ND 800,
- une résistance de 250 , impédance nécessaire à cause de la liaison avec le PC dont le
    signal modulé en fréquence se superpose au signal analogique 4..20 mA,
- un milliampèremètre indiquant la valeur du signal de commande 4..20 mA
L'alimentation continue 24 V ne sera mise sous tension secteur 220 V~ qu'après avoir vérifié
les branchements effectués.
Circuit permettant la communication entre le positionneur et l'ordinateur. Voir schéma.
Avant la mise sous tension de l'ordinateur, mettre la clef (dongle) sur la prise parallèle à
l'arrière du PC. Cette prise est la sortie imprimante généralement (prise // appelée LPT1 ou
LPT2 ou PRINT(ER)). Elle correspond à un connecteur femelle côté arrière du PC. Si elle est
déjà utilisée, le plus souvent pour la liaison avec une imprimante parallèle, débrancher le
connecteur en place, enficher la clef, puis rebrancher le connecteur précédent sur la clef.
Toujours avant la mise sous tension de l'ordinateur, enficher le boîtier spécial d'interface série
sur la prise série à l'arrière du PC.. Cet interface permet la communication entre PC et
positionneur ND 800 par un modem dont le signal analogique, superposé au signal continu
4..20 mA, est un signal alternatif modulé en fréquence (modulation type FSK), l'échange se
faisant selon le protocole HART déjà utilisé sur les capteurs "intelligents".
Cette prise correspond à un connecteur mâle à l'arrière du PC. Si elle est déjà utilisée, par
exemple pour la souris, passer à la seconde prise série qui existe généralement et se trouve
aussi à l'arrière du PC. Ces deux prises série sont appelées le plus souvent COM1 et COM2.
Enfin, raccorder les deux fils (sans polarité, le signal modulé en fréquence étant alternatif) du
boitier interface aux bornes + et – du positionneur ND 800.

Tous les branchements sont maintenant réalisées.
La mise sous pression et les mises sous tension sont effectuées. L'ordinateur type PC est en
service, avec WINDOWS opérationnel. Le logiciel fourni par le constructeur avec le
positionneur ND 800 a déjà été installé sous WINDOWS.

3. Commande classique de la vanne à partir du "générateur" 4..20 mA.

Vérifier le bon fonctionnement de la vanne en observant la position de l'obturateur rotatif par
rapport à son siège pour différentes valeurs du signal comprises entre 4 et 20 mA.
4. Lancement du logiciel constructeur "Valve Manager" et connexion
Soit en effectuant un double clic sur son raccourci situé sur le bureau de WINDOWS, soit en
accédant au dossier Valvemgr puis en effectuant un double clic sur l'icône du logiciel
Valvemgr.
Un mot de passe est nécessaire: admin.
L'écran d'accueil du logiciel, ou sa fenêtre, visible à la page suivante, apparaît alors.
Les boutons de commande situés à gauche intitulés Connection, Monitor, Diagnostics, …,
Read Diag permettent d'accéder aux différentes fenêtres de fonctions du logiciel.

Il faut d'abord effectuer la connexion, c'est à dire établir la communication entre l'ordinateur
et le positionneur par l'intermédiaire du boîtier d'interface enfiché à l'arrière de l'ordinateur.
Pour cela, cliquer sur le bouton de commande Connection (ou sur la touche de fonction F2
située sur le clavier du PC) puis sur le bouton de commande Search (Chercher). Cela lance la
recherche automatique de l'appareil (positionneur). Cette recherche prend plusieurs secondes.
Si la recherche aboutit, ce qui nécessite des branchements corrects, le type de l'appareil trouvé
apparaît alors dans la fenêtre Tags found, soit ici ND 800.

5. Lecture et écriture de la configuration du positionneur

   Le positionneur garde en permanence, dans sa mémoire, sa configuration c'est à dire ses
caractéristiques, ses réglages, …, donc tous les paramètres et les options modifiables qui le
caractérisent.
Pour les charger dans la base de données du logiciel à partir de la mémoire du positionneur,
cliquer sur le bouton de commande Read Config de l'écran principal.
Sinon, c'est la configuration de la base de données du logiciel qui est active.
Pour envoyer cette dernière dans la mémoire du positionneur, cliquer sur le bouton de
commande Send Config de l'écran principal.

6. Observation et suivi du fonctionnement de la vanne (utilisation du moniteur)

Revenir à l'écran principal, puis cliquer sur le bouton de commande Monitor (F3).
Les différents capteurs situés dans le positionneur intelligent permettent de mesurer et de
suivre l'évolution dans le temps de 6 variables:
-   le signal de commande analogique envoyé sur la vanne en mA (Input Signal),
-   la position angulaire réelle de l'obturateur en % (Actual Position),
-   la position angulaire souhaitée de l'obturateur en % (Position SetPoint),
-   la pression de commande envoyée sur la membrane du servomoteur pneumatique
    (Actuator Pressure Difference). Le terme Différence vient du fait que le servomoteur,
    qui est ici du type simple effet, peut aussi être un servomoteur du type double effet avec
    deux pressions différentes agissant de chaque coté d'un piston,
-   la température ambiante à l'intérieur du positionneur (PCB Temperature), ses
    composants internes ne pouvant pas supporter des températures élevées,
-   l'écart entre la position réelle mesurée et la position souhaitée (consigne) de l'obturateur.

On peut sélectionner la variable avec la liste déroulante Monitored Variable
- puis lancement du tracé du graphe temporel en cliquant sur Start.
- arrêt du tracé par le bouton Stop
- Scaling permet de changer l'échelle des temps du tracé
- Reset permet d'effacer le tracé en cours et d'en commencer un nouveau
- Hold Curve permet d'arrêter le tracé lorsqu'il arrive en fin de zone de tracé. On fige ainsi
   un tracé afin de mieux l'examiner
- Start Logging permet de lancer le stockage dans un fichier des valeurs de la variable
   observée.
La copie d'écran de la page suivante montre un tracé permettant de vérifier la position de la
vanne pour les valeurs 0, 10, 20, 30, …, 80, 90, et 100 % de son signal de commande. Ces
échelons successifs expliquent l'allure en escalier de la courbe.
Nous observons que pour un signal de 4 mA la vanne est ouverte à 5 % au lieu de 0 %.
Nous voyons aussi que la caractéristique intrinsèque de la vanne est linéaire car pour les
autres valeurs du signal de commande la position correspondante en % a la même valeur que
ce signal exprimé en %.

7. Tracé de la caractéristique statique (courbe d'étalonnage) et de la courbe
   de réponse de la vanne

Accès à l'écran permettant d'effectuer ces tracés par action sur le bouton de commande
Testing (F5).
-   Lancement d'un test par Start Test.
-   La petite boîte de dialogue qui s'affiche prévient le technicien que la vanne n'aura plus sa
    position normale correspondant à la valeur de son signal de commande du moment. En
    effet, lors de l'exécution du test, le positionneur fait évoluer la position de la vanne sans se
    préoccuper de son signal de commande. Ce message est évidemment très important
    lorsque la vanne est en service dans une installation de production en fonctionnement.
    Cliquer sur Oui pour poursuivre le test après avoir lu cet avertissement.
Il est possible de faire un test d'hystérésis qui correspond à la caractéristique statique de la
vanne à la montée et à la descente ou un test de réponse temporelle. Cliquer sur l'option
choisie.
Pour le tracé de la caractéristique statique, en entrant les valeurs dans les trois zones d'entrée
correspondantes, préciser:
-   la durée de l'essai (Testing Time) en secondes, par exemple 120 s,
-   l'amplitude du cycle de montée/descente imposé (Loop Size), soit 100 % pour avoir le
    tracé complet de la caractéristique statique.
-   Le point de départ du cycle de montée/descente, soit 0 % pour avoir le tracé complet de la
    caractéristique statique.
Lancer ensuite l'essai proprement dit en validant ces choix par le bouton de commande OK.
Le positionneur s'occupe de tout … Il suffit d'observer ce qu'il fait.
Lorsque le test est terminé, après lecture des résultats, les deux courbes caractéristiques sont
affichées. Sont aussi affichées la somme (hystérésis + bande morte) en % ainsi que la valeur
du signal pour laquelle cette somme a atteint la plus forte valeur. Cela permet de faire de la
maintenance préventive: lorsqu'on constate une augmentation importante de l'hystérésis, on
révise la vanne. La copie d'écran donnée à la page suivante montre les résultats d'un test.

Pour l'essai de réponse temporelle à un échelon (Step Reponse), préciser là aussi:
-   la durée de l'essai en secondes. Pour pouvoir observer l'amortissement, entrer un temps
    assez court, par exemple 5 secondes
-   l'amplitude de l'échelon en %, par exemple 20 %
-   le point de départ de l'échelon en %, par exemple 50 % pour observer la réponse de la
    vanne supposée linéaire à mi-course
Après l'essai, la courbe de réponse Ouverture en % en fonction du temps apparaît à l'écran, et
en bas sont affichées les valeurs du temps mort (retard pur) et des temps de réponse mesurés à
63 % et à 98 % de l'échelon. Voir la copie d'écran deux pages plus loin.
Cela permet d'observer la qualité de la réponse de la vanne: est-elle très amortie, optimale,
trop oscillatoire, … ? On en déduit donc s'il faut modifier ou non les réglages du positionneur,
que nous allons voir maintenant.

8. Réglages

Accès par action sur le bouton de commande Settings (F6).
Le bon positionnement de l'obturateur par rapport au siège pour un signal de commande
donné est effectué par un asservissement rapide et précis grâce au microprocesseur qui calcule
et dose l'action sur le servomoteur selon un algorithme de régulation numérique performant.
Pour cet asservissement, les paramètres de réglage, dont la valeur peut être modifiée, sont
-   le gain de l'action P (Gain)
-   et deux autres paramètres D et B sur lesquels le constructeur ne donne aucune explication
    et accessibles pour un changement de leur valeur en cliquant sur DB Compensation.
Deux autres réglages du début de course pour un obturateur rotatif peuvent être modifiés. Ce
sont les paramètres correspondant aux zones d'entrée de valeur baptisées a0 Adjustment et
Cut-off Safety Range.
Sans entrer dans le détail, ils s'expliquent par le fait que la vanne à obturateur rotatif a une
zone morte en début de course près de la fermeture qui ne doit pas être utilisée lors d'une
variation du signal de commande.
La notice technique du positionneur présente un tableau donnant la valeur de chacun de ces
différents paramètres de réglage en fonction
- du type et du diamètre nominal du corps de vanne, pour nous, DN 100,
- du type du servomoteur, pour nous QP 2,
- de la valeur de la pression d'alimentation en air, pour nous 5 bars
Pour notre matériel et notre pression d'alimentation, les valeurs préconisées sont:
       Gain = 8, D = 0,2, B = 1, a0 = 1, Cut Off = 2.
Nous pouvons, par exemple, observer l'influence de la valeur du gain sur le comportement et
la courbe de réponse de la vanne.
Faire ce test avec un gain de 2, puis de 16, et enfin terminer avec le gain de 8 qui sera
conservé par la suite, en cliquant ensuite à chaque fois sur le bouton de commande Send
Config de l'écran principal pour que la nouvelle valeur soit envoyée dans la mémoire du
positionneur.
Le sens d'action de la vanne peut être changé: soit le signal ouvre la vanne (Rising Signal to
open), soit il la ferme (to close). Cliquer dans la case à cocher circulaire correspondante.
Le sens de rotation de l'arbre de l'obturateur peut aussi être choisi, soit standard dans le sens
des aiguilles d'une montre (Clockwise to close), soit en sens inverse. Pour nous, c'est le sens
de rotation standard. Ne pas essayer le sens inverse.
Voir la copie d'écran de la page précédente.

9. Modification de la caractéristique statique intrinsèque de la vanne

Accès à partir de l'écran principal en cliquant sur le bouton de commande Characteriz (F7).
La courbe est tracée dans une zone graphique à côté de laquelle un tableau donne les valeurs
des abcisses X (signal en %) tous les 10% et des ordonnées Y correspondantes (position de
l'obturateur en %).
On peut choisir une caractéristique intrinsèque dont la courbe représentative s'affiche alors
dans la zone graphique, ainsi que les valeurs des X et Y dans le tableau associé
-   linéaire (bouton Linear)
-   prédéfinie (bouton Preset) pour corriger une caractéristique statique du procédé non
    linéaire, en choisissant une courbe parmi les trois proposées: = % (exponentielle, à gain
    croissant), à gain décroissant, et à ouverture rapide.
-   à partir du logiciel de calcul de vanne Nelprof en tenant compte des données du procédé.
    Nous n'avons pas le temps de tester cette possibilité.
-   Adaptée aux besoins de l'utilisateur (Customized). Nous allons voir comment.
    Choisir cette option. Pour modifier la courbe caractéristique, il suffit de cliquer sur
    chacun de ses points correspondant à un signal de commande de 0, ou 10 %, ou 20 %, …
    de 10 % en 10 % jusqu'à 100% et de le faire glisser avec la souris jusqu'à la nouvelle
    valeur désirée. On peut aussi changer la valeur de la position en % dans une des 11 zones
    d'entrée du tableau associé à la courbe, ce qui modifie celle-ci.
    La vue d'écran de la page suivante montre une caractéristique statique intrinsèque
    spéciale "façonnée" par l'utilisateur.
    Pour que la nouvelle caractéristique intrinsèque soit prise en compte, ne pas oublier de
    cocher la case Modification in Use et de cliquer sur le bouton Send Config après être
    revenu au menu principal.

10. Auto-étalonnage

Accès à partir de la barre de menu, en cliquant sur Calibration puis sur Automatic Travel
Calibration. C'est l'étalonnage automatique de la course de la vanne.
Le positionneur fait lui-même l'étalonnage de la fermeture à l'ouverture complète afin de
vérifier si les positions sont conformes aux différentes valeurs du signal de commande.
Cela prend plusieurs minutes. Un message indique si le résultat est correct: (Calibration
ready).
11. Diagnostics

Accès par action sur le bouton de commande Diagnostics (F4) du menu principal.
Il s'agit d'enregistrements, de diagrammes statistiques, et d'alarmes facilitant la maintenance
de l'ensemble vanne + positionneur.
On peut observer l'évolution dans le temps de l'écart entre position réelle et position de
consigne de l'obturateur de vanne (Travel Deviation Trend). Trend peut être traduit ici par
historique.
On peut aussi observer sur un histogramme quelle est la position de l'obturateur la plus
fréquente dans le temps, ce qui permet d'en déduire en particulier si la vanne est bien
dimensionnée, ou sur-dimensionnée (ouverture moyenne proche de la fermeture).
Il est aussi possible de régler des d'alarmes (Alert Settings) qui avertissent, par exemple du
dépassement d'un nombre fixé d'allers et retours complets de l'obturateur entre fermeture et
pleine ouverture (Number of full Strokes).
-   …

								
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