Conception et application d’un système de commande automatique distribué pour une ligne de production de boissons à base de canne à sucre
1. Introduction
Ces dernières années, le niveau des salaires du travail en Chine a considérablement augmenté. Par rapport à la dernière décennie, les coûts de main-d’œuvre ont doublé et l’avantage de la main-d’œuvre de l’industrie manufacturière chinoise s’affaiblit progressivement. La structure de la main-d’œuvre connaît un renouvellement générationnel, et la difficulté de recrutement est devenue une contradiction de plus en plus marquée entre l’offre et la demande de travail. Nous sommes entrés dans une nouvelle ère de développement par bonds, passant de la « fabrication » à la « fabrication intelligente » ; or, si la ligne de production d’extraction de l’eau cellulaire des plants de canne à sucre est exploitée manuellement, elle présente des défauts tels que de fortes fluctuations de la source de vapeur de chauffage, un mauvais équilibre entre vapeur, eau et matières, un rapport de concentration reposant uniquement sur le jugement de l’expérience, un contrôle instable des paramètres ou des arrêts, une faible efficacité de production, et elle peut facilement entraîner des variations de la qualité de l’eau cellulaire des plants de canne à sucre, ce qui n’est pas propice à une production à grande échelle et équilibrée de cette eau, ni à la garantie de la qualité et du goût des produits aquatiques à base de canne à sucre. Par conséquent, l’automatisation de la ligne de production d’extraction de l’eau de canne à sucre est une condition nécessaire à la réussite du projet.
Cet article étudie l’application d’un système de commande automatique dans le processus de production d’extraction de l’eau de canne à sucre, et développe un système de commande automatique distribué basé sur un bus de terrain et sur Ethernet industriel afin de réaliser des paramètres stables et contrôlables de la source de vapeur de chauffage, ainsi qu’une commande automatique de l’ensemble du processus pour le transport à pression et débit constants du jus de canne, la vidange et la vidange de fond de la cuve, et le dosage quantitatif de l’eau de canne, de manière à atteindre l’objectif d’industrialisation de 40 tonnes d’eau par jour.
L’atelier de production de boissons à base d’eau de canne à sucre est divisé en six sections principales, à savoir l’extraction de la matière première, le chauffage primaire, la préfiltration physique, le chauffage secondaire, la filtration membranaire et le mélange de l’eau de canne. Ces six sections définissent chacune leurs propres objectifs de commande, qui peuvent se résumer comme suit : transport équilibré des matières, équilibre dynamique de la pression, de la température et du débit, et dosage quantitatif précis. Pour atteindre les objectifs de commande du procédé, ce projet doit traiter les points suivants :
(2) Configurer le matériel de commande pour chaque section ;
(3) Utiliser un réseau de communication ouvert pour relier chaque section en un système d’automatisation distribué.
Le procédé d’extraction de l’eau des plants de canne à sucre présente des caractéristiques multivariables, non linéaires et variables dans le temps, et l’utilisation de méthodes traditionnelles de commande en retour ne permet pas d’atteindre les objectifs de commande. Il est donc nécessaire d’étudier la combinaison du PID traditionnel, de la commande en cascade et de la commande floue afin d’assurer une commande précise du processus de production ; le dosage du jus de canne est intensif en main-d’œuvre, et le rapport ne peut pas être ajusté à tout moment en fonction de l’évolution de la concentration du matériau pour en garantir la précision. Étudier la méthode de régulation du dosage du jus de canne, établir un modèle de rapport précis et réaliser un dosage quantitatif et exact.
Le mode de commande PID en cascade est utilisé pour réaliser la fonction d’ajustement automatique de l’eau de canne à sucre dans le chauffage multistade et la vapeur de stérilisation.
La pression et la température de la source de vapeur de stérilisation du chauffage multistade tubulaire sont instables et sont influencées par le débit du jus et la température initiale, ce qui nécessite des réglages fréquents. Un réglage manuel permet difficilement d’obtenir des valeurs stables de température et de pression, ce qui affecte la température de chauffage et la production ultérieure. Si une commande en boucle unique est utilisée, les perturbations du débit de matière première et de vapeur entraînent une action de commande tardive, un écart important, une mauvaise qualité de régulation et ne permettent souvent pas de répondre aux exigences de production.
Cet article adopte une commande en cascade de la température de sortie du réchauffeur et du débit de vapeur. Dans le processus de régulation du chauffage, deux régulateurs PID sont reliés en série pour former un système de commande à double boucle fermée. La sortie du régulateur de température est utilisée comme valeur de consigne du régulateur de débit, et le régulateur de débit commande ensuite la vanne de régulation de la conduite de vapeur de chauffage.
Après analyse de la section et prise en compte du procédé global, les objets de commande conçus pour le chauffage primaire dans ce projet correspondent aux éléments suivants :
Régulateur de température : module PID pour la température de sortie du réchauffeur ;
Régulateur de débit : module PID de pression de vapeur ;
Vanne de régulation : vanne pneumatique d’admission de vapeur 0,2 MPa ;
Transmetteur de détection de débit : débitmètre intelligent à effet Vortex pour vapeur ;
Transmetteur de détection de température : transmetteur intelligent pour la température de sortie du chauffage primaire.
En établissant un programme PID en cascade, de bons résultats de régulation ont été obtenus pour le contrôle de la température des matières dans les sections de chauffage primaire et secondaire de ce projet.
Pour la section de transport du jus de canne en prétraitement, comme la zone de travail concerne deux ateliers de la sucrerie (l’atelier de pressage et l’atelier de production d’eau de canne), la canalisation de transport mesure plusieurs centaines de mètres, et il n’est pas facile d’obtenir un équilibre dynamique du débit, du niveau de liquide et de l’effet de filtration de prétraitement en utilisant directement la commande PID traditionnelle.
Cet article adopte une méthode de commande combinant des règles manuelles et un réglage PID. Tout d’abord, un ensemble de règles de prétraitement est élaboré à partir du flux de fonctionnement des équipements et de l’expérience opérationnelle des employés, puis des conditions de décision sont définies. En fonction de la définition de ces conditions, on détermine quelle étape de la méthode de commande est utilisée. Lorsque la ligne de production commence tout juste à fonctionner et que les conditions de travail changent fortement, en raison de fortes fluctuations du débit de matière, les niveaux des cuves traversées subiront des variations continues. Afin d’éviter les oscillations ou les retards causés par l’introduction directe de la commande PID, le système utilisera des algorithmes de commande empiriques pour augmenter ou réduire de manière significative la fréquence du variateur et l’ouverture des vannes concernées, afin de se rapprocher rapidement de la consigne au niveau de liquide des différentes cuves ; lorsque le niveau de liquide de toutes les cuves approche la cible et que les conditions de fonctionnement sont relativement stables, la deuxième condition de décision du système est remplie. Le module PID traditionnel est alors utilisé pour effectuer un réglage fin du niveau de liquide, afin de répondre à l’exigence selon laquelle le niveau de liquide ne déborde pas pendant le processus de production, tout en maintenant une corrélation dynamique et une stabilité de la pression et du débit, ce qui permet de conserver un bon effet de régulation, de réaliser un transport dynamique équilibré du jus de canne, et d’assurer une commande précise du niveau de liquide, du débit et de l’effet de prétraitement. L’objectif ultime est d’obtenir une production continue et stable.
L’objectif de conception de cet article est de permettre au contrôleur de communiquer avec les dispositifs intelligents sur site via un bus de terrain, et de relier plusieurs contrôleurs par Ethernet pour former un réseau de communication numérique, bidirectionnel et multipoint, rendant l’ensemble du système ouvert, intégré et fortement décentralisé. Compte tenu du budget et des exigences de commande du procédé, il a été décidé d’utiliser plusieurs contrôleurs distincts pour prendre en charge la commande de la section correspondante. Chaque section adopte un instrument primaire sur site, et tous les instruments utilisent des transmetteurs intelligents pour l’acquisition des signaux. Les paramètres du procédé tels que la température, la pression, le niveau de liquide et le débit sont uniformément convertis en données lisibles dans les transmetteurs intelligents. Les données sont lues par le contrôleur de chaque section, puis transmises via Ethernet industriel.
Selon la segmentation du procédé, les points de commande et les exigences de commande de l’ensemble de la ligne de production, une planification globale est effectuée, tout en tenant compte de la configuration ciblée de l’ouverture et de l’évolutivité du système dans le cadre d’un budget limité. Le projet adopte un ensemble d’automates PLC de la série S7-300 et quatre ensembles d’automates PLC de la série Smart 200 comme cœur de commande des sous-systèmes pour la commande de chaque section. La section de filtration membranaire présente les exigences les plus élevées ; elle utilise le CPU315 DP-2 de la série S7-300 comme station principale, 24 modules d’entrée/sortie ET200M via 3 modules de liaison IM153-1, et le protocole PROFIBUS DP pour former le système matériel de la section membranaire. Le S7-300 est parfaitement adapté à la commande des sections d’équipements membranaires comportant de nombreuses vannes et de nombreux capteurs. Les sections d’extraction de la matière première, de chauffage primaire, de préfiltration physique, de chauffage secondaire et de mélange de l’eau de canne sont divisées en quatre systèmes, chaque sous-système étant équipé d’un ensemble de matériel de commande centré sur le S7-200 Smart.
Selon les caractéristiques du cœur de commande, l’ensemble du système adopte deux protocoles de bus : la section membranaire adopte un réseau bus PROFIBUS DP, et l’instrument primaire est connecté à l’ET200M via un isolateur. L’ET200M et l’IM153-1 réalisent l’échange de données avec le CPU ; les quatre autres contrôleurs S7-200 Smart sont connectés à l’instrument primaire en configurant des transmetteurs intelligents avec protocole Modbus. L’utilisation de transmetteurs intelligents Modbus permet de résoudre le problème des contrôleurs 200 Smart incapables d’effectuer une entrée analogique excessive, tout en atteignant l’objectif de configuration consistant à permettre aux contrôleurs d’entrée de gamme de lire les informations des instruments via le réseau de bus de terrain.
L’ensemble du système de production dispose de trois PC comme ordinateurs centraux de contrôle, opérant à des postes fixes de commande centralisée ; quatre écrans tactiles servent d’interfaces homme-machine sur site pour chaque section de procédé. En tant que section importante de l’équipement membranaire, un PC de commande central dédié est attribué, et le logiciel de configuration SI-MATIC WinCC est configuré pour communiquer directement avec l’automate S7 300 PLC. Les deux autres ordinateurs centraux de contrôle, qui peuvent relier l’ensemble de l’usine pour la surveillance, utilisent un logiciel de configuration Force Control afin de résoudre à moindre coût la fonction de supervision globale de différents types d’automates. L’écran tactile utilise directement le standard WinCC flexible pour la configuration de l’interface. Chaque équipement de l’atelier est configuré avec des adresses IP différentes appartenant au même segment de réseau, ainsi que l’unité de commande correspondante, et les données sont finalement partagées avec l’interface de configuration Force Control du poste de commande central. Du côté Force Control, l’interaction des données, l’enregistrement et le reporting des données, les alarmes et d’autres fonctions sont réalisés.
Dans cet article, le commutateur Ethernet industriel MOXA et le convertisseur photoélectrique sont configurés pour utiliser la fibre optique sur longue distance et un câble réseau à 8 conducteurs sur courte distance sur site. Tous les ordinateurs de supervision et les cœurs de commande sont intégrés dans le même réseau local via l’interface Ethernet. Le PC de supervision, la station d’ingénierie, le PLC et l’écran tactile peuvent accéder les uns aux autres, et le système offre une bonne évolutivité. Grâce à l’adoption du protocole TCP/IP, l’ensemble de la ligne de production et chaque section peuvent être intégrés au système de contrôle principal sans nécessiter d’équipement matériel supplémentaire. La fonction de publication Web du logiciel de contrôle peut être utilisée pour réaliser une commande à distance via Internet, permettant le partage des données entre le réseau de gestion et le réseau de contrôle. La consommation d’énergie, le sens d’acheminement des matériaux et la sortie des produits finis de l’ensemble du système de production peuvent ainsi être gérés et contrôlés efficacement.
Après la mise en service du système de commande automatique sur bus de terrain du procédé d’extraction aqueuse de la canne à sucre, la capacité de production de toute la ligne a augmenté, atteignant une production quotidienne de 40 tonnes, avec une amélioration de la qualité des produits, de l’efficacité de production et une réduction des coûts de production ; la stabilité de la qualité des produits a été renforcée et les accidents de production causés par des erreurs de manipulation humaine ont été évités ; grâce à ce système de commande automatique sur bus de terrain pour le procédé d’extraction aqueuse de la canne à sucre, l’ensemble de la ligne de production peut fonctionner normalement avec seulement 8 opérateurs, atteignant ainsi l’objectif d’une grande efficacité et d’une économie de main-d’œuvre.
