Quels sont les types d'instruments d'automatisation ?

De nombreux nouveaux venus dans le domaine de l'instrumentation se sentent dépassés lorsqu'ils voient pour la première fois la multitude d'instruments sur site.

Avec des noms tels que manomètres, thermomètres, débitmètres, niveaux, vannes de régulation, transmetteurs, API, SNCC, alarmes et analyseurs, il est facile de se perdre dans leur catégorisation.

En réalité, l'instrumentation d'automatisation n'est pas si complexe. D'un point de vue terrain, elle tourne principalement autour d'un objectif unique : mesurer les paramètres de procédé, les transmettre, les afficher et les réguler, tout en fournissant des alarmes et une protection des équipements si nécessaire.

Sur la base de leur fonction, les instruments d'automatisation peuvent généralement être divisés en six grandes catégories :

Instruments de mesure terrain, instruments de régulation terrain, actionneurs terrain, instruments d'affichage et d'enregistrement, instruments de régulation/contrôle et instruments de mesure spécialisés.

Les instruments d'automatisation ne sont pas de simples appareils pour "lire des valeurs".

Dans une boucle de régulation complète, les instruments de mesure collectent les paramètres terrain, le régulateur effectue l'analyse et les calculs, l'actionneur exécute les actions, et les instruments d'affichage/enregistrement présentent les données aux opérateurs et les stockent pour le système.

Prenons l'exemple d'une boucle de régulation de température : un thermocouple ou un thermomètre à résistance mesure la température ; un transmetteur de température envoie le signal à un API ou à un SNCC ; le régulateur calcule la réponse requise et émet un signal ; et enfin, une vanne de régulation ajuste le débit de vapeur, d'eau chaude ou d'eau de refroidissement.

Par conséquent, les instruments n'existent pas isolément. Lors du dépannage sur site, on ne peut pas se contenter de se concentrer sur un seul indicateur ; l'instrument doit être analysé dans le contexte de la boucle de régulation entière.

Les instruments de mesure terrain servent de source de données pour les systèmes d'automatisation. Si les mesures sont inexactes, les fonctions ultérieures d'affichage, d'enregistrement et de régulation seront toutes compromises.

Les instruments de mesure terrain courants comprennent ceux pour la mesure du niveau de liquide, de la pression, de la température et du débit, ainsi que les instruments d'analyse de gaz et de liquides.

Les instruments de niveau sont utilisés pour mesurer les niveaux de liquide, les niveaux de matière ou les positions d'interface dans les réservoirs de stockage, les colonnes, les réacteurs et les silos. Les types courants comprennent les indicateurs de niveau à flotteur magnétique, les indicateurs de niveau à flotteur, les débitmètres radar, les débitmètres à ultrasons, les débitmètres capacitifs, les débitmètres à pression différentielle et les détecteurs de niveau.

Les instruments de pression sont utilisés pour mesurer la pression, la pression différentielle ou les niveaux de vide dans les tuyauteries, les récipients et les équipements. Les types courants comprennent les manomètres, les transmetteurs de pression, les transmetteurs de pression différentielle, les capteurs de pression et les pressostats. Les manomètres sont principalement utilisés pour les lectures sur site, les transmetteurs de pression pour la transmission de signaux à distance, et les pressostats pour les alarmes et les fonctions de verrouillage.

Les instruments de température mesurent la température d'un milieu ou de la surface d'un équipement. Les types courants comprennent les thermomètres bimétalliques, les thermomètres en verre, les thermocouples, les détecteurs de température à résistance (RTD), les transmetteurs de température, les thermostats et les thermomètres infrarouges. Les thermocouples conviennent aux applications à haute température, tandis que les RTD conviennent mieux aux mesures de température basse à moyenne.

Les instruments de débit mesurent le débit de gaz, de liquides ou de vapeur. Les types courants comprennent les débitmètres électromagnétiques, à vortex, à turbine, à ultrasons, massiques, à plaque d'orifice et à section variable (rotamètre). La sélection nécessite une vérification minutieuse du fluide, de la plage de débit, de la pression et de la température, de la viscosité, de la conductivité et des exigences de section de tuyauterie droite.

Les instruments d'analyse de gaz détectent la composition et la concentration des gaz. Les types courants sur le marché comprennent les analyseurs d'oxygène, les détecteurs de gaz combustibles, les détecteurs de gaz toxiques, les analyseurs de gaz infrarouges, les analyseurs de gaz à conductivité thermique, les analyseurs de gaz laser et les chromatographes en phase gazeuse.

Les instruments d'analyse de liquides mesurent des paramètres tels que le pH, la conductivité, la turbidité, la concentration, la densité, la viscosité, l'oxygène dissous, la DCO et l'azote ammoniacal. Ces instruments nécessitent un entretien relativement élevé ; le nettoyage, l'étalonnage et l'inspection des lignes d'échantillonnage sont des tâches essentielles.

Les instruments de régulation terrain sont responsables du traitement des signaux sur site, de la conversion des signaux et de la régulation locale.

Les types courants comprennent les instruments de régulation pneumatiques, électriques et hydrauliques.

Les instruments de régulation pneumatiques utilisent l'air comprimé comme source d'énergie ; ils ont des structures relativement simples et restent précieux dans les applications antidéflagrantes. Les instruments de régulation électriques utilisent des signaux électriques, ce qui les rend plus faciles à intégrer avec les API, les SNCC et les ordinateurs de supervision. Les instruments de régulation hydrauliques fournissent une force de sortie élevée et sont généralement utilisés dans les applications à charge lourde ou à forte poussée.

Les facteurs clés lors de la sélection de ces instruments comprennent les signaux d'entrée/sortie, la précision de la régulation, la vitesse de réponse, les conditions d'alimentation électrique, les indices de protection contre les explosions, l'environnement du site et les interfaces système.

Les actionneurs terrain sont les composants d'une boucle de régulation qui effectuent réellement l'action physique.

Après que le système de régulation a émis une commande, l'actionneur l'exécute en ajustant des vannes, des registres, des vannes de décharge ou d'autres structures mécaniques pour modifier les conditions du procédé telles que le débit, la pression, le niveau de liquide ou la température. Les dispositifs d'actionnement courants comprennent les vannes de régulation pneumatiques, électriques et hydrauliques ; les vannes d'arrêt ; les vannes papillon ; les vannes à boisseau sphérique ; les vannes à opercule ; les actionneurs ; les positionneurs de vanne ; et les positionneurs de vanne intelligents.

Lors de la maintenance sur site, il faut aller au-delà de la simple capacité de l'actionneur à ouvrir et fermer. Il est également nécessaire de vérifier le bon fonctionnement, le positionnement précis, les signaux de retour normaux, les temps de réponse appropriés et si la position de sécurité répond aux exigences du procédé.

De nombreuses fluctuations de régulation proviennent non pas des réglages des paramètres du régulateur, mais de problèmes tels que le grippage des vannes, des positionneurs inexacts, une pression d'alimentation en air instable ou une réponse lente de l'actionneur.

Les instruments d'affichage et d'enregistrement montrent les paramètres terrain, l'état des équipements et les informations d'alarme, tout en stockant des données critiques.

Les exemples courants comprennent les afficheurs numériques, les afficheurs analogiques, les afficheurs-régulateurs, les enregistreurs multipoints, les enregistreurs sur papier, les enregistreurs sans papier, les IHM à écran tactile, les terminaux de poste opérateur et les dispositifs d'alarme sonore/visuelle.

Les afficheurs numériques conviennent à la surveillance de paramètres à point unique. Les afficheurs-régulateurs peuvent intégrer des fonctions d'alarme et de régulation de base. Les enregistreurs sans papier sont idéaux pour suivre les tendances de paramètres tels que la température, la pression, le débit et le niveau. Les IHM et les postes opérateur sont utilisés pour les interfaces visuelles, la configuration des paramètres, la surveillance des alarmes et le fonctionnement des équipements.

Les critères de sélection clés comprennent les signaux d'entrée, les méthodes d'affichage, les intervalles d'enregistrement, la capacité de stockage, les interfaces de communication, les sorties d'alarme et la protection contre les pertes de puissance.

Les instruments de régulation et de contrôle servent de "cerveau" du système d'automatisation, gérant la régulation automatique, le contrôle logique, le contrôle séquentiel et la protection de sécurité.

Les dispositifs terrain courants comprennent les régulateurs PID, les régulateurs à boucle unique et à boucles multiples, les API, les SNCC, les FCS, les ESD, les SIS et les ordinateurs industriels.

Les régulateurs PID sont généralement utilisés pour réguler des paramètres continus tels que la température, la pression, le débit et le niveau. Les API sont couramment utilisés pour les opérations de démarrage/arrêt d'équipements, le contrôle séquentiel, la protection par verrouillage et le traitement des signaux discrets (tout ou rien). Les SNCC conviennent à la surveillance centralisée et au contrôle distribué des unités de production continue à grande échelle. Les SIS et les ESD sont principalement utilisés pour le verrouillage de sécurité et les arrêts d'urgence ; ils ne doivent pas être traités comme de simples systèmes de régulation standard.

Les facteurs de sélection comprennent le procédé contrôlé, le nombre de points d'E/S, la stratégie de régulation, les protocoles de communication, les exigences de redondance, les niveaux d'intégrité de sécurité (SIL), la gestion des alarmes et les capacités de maintenance à long terme.

Les instruments de mesure spécialisés sont principalement utilisés pour détecter des paramètres uniques, surveiller la santé des équipements et effectuer l'étalonnage sur site. Les exemples courants comprennent les moniteurs de vibration d'arbre, les moniteurs de déplacement d'arbre, les tachymètres, les instruments de pesage, les jaugeurs d'épaisseur, les calibreurs de signaux, les détecteurs de flamme, les analyseurs d'humidité en ligne, les densimètres en ligne et les instruments de surveillance de l'état des équipements.

Les instruments de mesure de la vibration d'arbre, du déplacement d'arbre et de la vitesse de rotation sont généralement utilisés sur les équipements rotatifs tels que les compresseurs, les turbines à vapeur, les ventilateurs et les pompes. Les instruments de pesage sont utilisés dans les silos, les bandes transporteuses de pesage et les systèmes de dosage ou d'emballage. Les jaugeurs d'épaisseur sont utilisés pour mesurer l'épaisseur des tôles, des tuyaux et des parois de récipients, ainsi que l'épaisseur des revêtements. Les détecteurs de flamme sont couramment utilisés pour la protection contre la combustion dans les chaudières, les fours de chauffage et les incinérateurs.

La sélection de ces instruments nécessite de prendre en compte des facteurs tels que le type d'équipement, le paramètre mesuré, le lieu d'installation, la vitesse de réponse, les signaux de sortie et les exigences de protection.

Lors de la sélection des instruments d'automatisation, il ne faut pas se concentrer uniquement sur le numéro de modèle et le prix.

Identifiez d'abord le paramètre à mesurer ; déterminez ensuite la plage de mesure, la précision, les matériaux de construction, la méthode d'installation, l'alimentation électrique et le signal de sortie.

Si le fluide est corrosif, les parties en contact avec le fluide doivent être fabriquées dans le matériau approprié. Pour les fluides à haute température, considérez la dissipation de chaleur, la condensation, l'isolation et les puits thermométriques. Si le fluide est sujet à la cristallisation ou au colmatage, ou contient des impuretés, envisagez l'utilisation de membranes, de purge, de rinçage ou de prétraitement de l'échantillon. Dans les zones sujettes à des vibrations importantes, considérez le montage sur support et le lieu d'installation.

Une fois l'instrument mis en service, vérifiez régulièrement le point zéro, la portée, le câblage, l'alimentation électrique, la mise à la terre, la communication, les sorties d'alarme et l'état de verrouillage.

Lors du dépannage sur site, suivez cette séquence : vérifiez l'alimentation électrique, puis le signal, puis le câblage, puis les paramètres de configuration, et enfin l'élément sensible et les conditions du procédé.

La classification des instruments d'automatisation n'est pas difficile à retenir, car chaque type remplit une fonction spécifique.

Par exemple, les instruments de mesure collectent des données ; les instruments de régulation gèrent le traitement des signaux ; les actionneurs effectuent des actions physiques sur le terrain ; les instruments d'affichage et d'enregistrement montrent et sauvegardent des données ; les instruments de régulation et de contrôle gèrent la régulation et les verrouillages ; et les instruments de mesure spécialisés détectent des paramètres uniques.

Lorsqu'on est sur site, il ne faut pas considérer un instrument comme un appareil isolé. Considérez-le dans le contexte de la boucle de régulation entière, et de nombreux problèmes deviendront plus faciles à diagnostiquer.