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RÉGULATION

Bien choisir son positionneur de vanne numériqueHDans le domaine de la régulation, les positionneurs de vanne numériques peuvent ressembler à première vue à des “petites boîtes noires”. Il est alors facile de penser qu’ils sont plus complexes à mettre en œuvre que des modèles pneumatiques nécessitant tournevis et clés alènes… Ce que conteste vivement Dresser Masoneilan. En se posant les bonnes questions, et en y répondant en fonction de chaque application, les utilisateurs seront en mesure de faire le bon choix et de mettre en service rapidement ces équipements… Et donc de démystifier ces “petites boîtes noires”. Ils pourront ainsi bénéficier des avantages de ces positionneurs de nouvelle génération au niveau de l’optimisation et de la sécurité des procédés industriels.

termes de performances et de sécurité des positionneurs de vanne numériques, ils res-tent toutefois indécis sur la meilleure façon de les mettre en œuvre dans leurs usines. Bien que ces équipements puissent ressem-bler à première vue à de “petites boîtes noi-res”, le “mystère” se lève facilement avec un changement de réflexion et un peu de pra-tique. La spécification est alors un processus simple… du moment que l’on se pose les bonnes questions et que l’on trouve les ré-ponses les mieux adaptées à chaque appli-cation.Les positionneurs de vanne numériques

peuvent sembler com-plexes de prime abord, mais ils sont aussi sim-ples, voire même plus simples que les posi-tionneurs convention-nels (pneumatiques et électropneumatiques). Après tout, le rôle uni-que et principal d’un positionneur numéri-que dans une vanne de régulation n’est rien d’autre que celui de

usqu’à une période encore très ré-cente, la spécification d’une vanne de régulation a été un processus relati-vement simple. Il suffisait de ne con-sidérer que deux facteurs clés, à savoir

les caractéristiques du fluide à contrôler et le type de signal de commande envoyé pour actionner la vanne. Comme tous les compo-sants parlaient la même “langue analogi-que”, il n’y avait aucune raison de prendre également en compte le système de contrôle auquel la vanne était reliée ou les outils né-cessaires à la mise en service et à la mainte-nance. L’intégration croissante de micropro-cesseurs et autres composants électroniques, l’arrivée des protocoles de communication numériques ces dernières années ont toute-fois pu rendre le processus de spécification plus complexe.Dans le même temps, le rôle d’un bon sys-tème de contrôle n’a jamais été aussi impor-tant qu’aujourd’hui. L’économie mondiali-sée, la concurrence accrue et une attention particulière sur les enjeux environnemen-taux, avec la mise en œuvre de normes plus strictes, par exemple, ont créé une pression sans précédent sur les industriels. Ils doivent en effet à la fois optimiser leur production, réduire les temps d’arrêt, limiter les coûts et contrôler les émissions et les rejets. Dans ce contexte, les systèmes de contrôle, et en par-ticulier les vannes et leurs positionneurs, deviennent des éléments critiques au niveau opérationnel. Si nombre d’ingénieurs et de techniciens reconnaissent les avantages en

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Dans le contexte actuel, les vannes de régulation et leurs positionneurs deviennent des éléments critiques dans les procédés.

Les positionneurs de vanne numériques peuvent apporter des gains significatifs aux industriels… si tant est qu’ils soient mis en œuvre correctement.

Pour bien choisir leurs modèles, les utilisateurs doivent aborder quatre grands thèmes : le personnel et sa formation, les spécifica-tions du produit, la mise en œuvre de l’ensemble et l’intégration des données.

L’essentiel

Le choix d’un système de contrôle approprié, et notamment des vannes de régulation et des positionneurs numériques, n’a jamais été aussi important qu’aujourd’hui dans l’optimisation des productions, la réduction des temps d’arrêt, le contrôle des émissions et les rejets…

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n’importe quel positionneur de vanne (principe du contrôle en boucle fermée ; voir schéma ci-dessous) : positionner la vanne à la consigne demandée par un système de con-trôle, via l’envoi d’un ordre de commande pour l’injection d’air à l’actionneur, ordre qui dépend de la position réelle mesurée par rapport à la consigne.Il existe des positionneurs pneumatiques, électropneumatiques (commande en 4-20 mA Hart convertie en pression dans le positionneur via un convertisseur courant/pression) et numériques (version électrop-neumatique avec en plus des informations numériques). Les positionneurs de vanne numériques intègrent des cartes électroni-ques, des protocoles de communication (Profibus PA ou Foundation Fieldbus), des microprocesseurs… pour disposer de mé-moires, de fonctions d’analyse et d’étalon-nage de la vanne, etc.

Même si les modèles numériques sont de plus en plus souvent utilisés, les position-neurs pneumatiques qui n’ont besoin que d’un tournevis et de clés alènes pour la con-figuration, l’étalonnage et autre réglages, conservent une place prépondérante dans les applications critiques (fortes vibrations et radiations nucléaires dans les centrales du même nom, par exemple) et pour des rai-sons économiques. Comme un câblage sur des centaines de mètres revient vite très cher, les industriels ne préfèrent pas consentir à ces investissements s’ils n’en ont pas un be-soin essentiel.

Le personnel et sa formationPour les techniciens et les autres personnels d’un site, dont la formation et l’expérience sont en constante évolution sur les position-neurs de vanne classiques, le passage à des positionneurs de vanne numériques exige

un changement des mentalités, une manière différente d’appréhender les choses. L’étalonnage et la mise en service de ceux-ci ne nécessitent aucuns réglages mécaniques et cette absence d’intervention habituelle-ment manuelle, avec un tournevis, peut leur donner une aura de “dispositif mystérieux avec des lumières clignotantes”. Auparavant, un technicien était suffisam-ment autonome (pour la mise en service, la maintenance, etc.) face à un positionneur conventionnel. La même personne peut être aujourd’hui moins à l’aise devant un modèle numérique, d’autant plus que la première rencontre a de fortes chances de se faire dans une situation défavorable : lors d’un arrêt inopiné de la production, sans avoir eu la formation ad hoc par manque de temps ou en n’ayant pas tous les moyens nécessaires disponibles (PC portable avec la bonne ver-sion installée du logiciel, modem Hart…).Les dérives d’étalonnage étant beaucoup moins fréquentes dans le cas d’un position-neur de vanne numérique que dans celui d’un appareil conventionnel, les utilisateurs ont, par ailleurs, moins l’occasion d’interve-nir sur les appareils. Ils ont par conséquent moins d’occasions d’acquérir de l’expé-rience. La formation de ces personnels revêt alors une importance capitale lors de la mise à niveau avec des technologies numériques. La plupart des fabricants de positionneurs de vanne numériques proposent des program-mes de formation pour leurs produits (voir Mesures n° 827), portant sur la manière de monter et de configurer un matériel, la mise en service via un appareil portable, la réso-lution d’éventuels problèmes, etc.

Les spécifications du produitLe marché des positionneurs de vanne nu-mériques se distingue par un large éventail de fabricants et de modèles, ce qui impose d’examiner avec soin différents critères avant de choisir la solution la mieux adaptée à une application et à un environnement donnés. En premier lieu, il y a le choix du protocole de communication qui aiguille d’emblée le type de positionneur. Il ne s’agit bien sou-vent pas d’une véritable décision, l’utilisa-teur devant faire avec le protocole installé. Par contre, le type de communication (ana-logique ou numérique) aura une impor-tance essentielle au niveau des informations susceptibles d’être disponibles (état et per-formances de la vanne de contrôle, autres diagnostics). Dans ce cas, les personnes en charge de la spécification devront s’assurer du support par le positionneur d’un proto-cole de communication ouvert (Hart,

Foundation Fieldbus ou Profibus).Dans un deuxième temps, les utilisateurs doivent vérifier la compatibilité du position-neur de vanne avec une variété d’actionneurs linéaires (via un clapet) et rotatifs (via un obturateur). Nous ne parlons ici que des actionneurs pneumatiques (à air comprimé), les vannes pneumatiques représentant près de 95 % des vannes de régulation. Il existe, par ailleurs, des vannes hydrauliques ou électriques qui affichent un rapport prix/performances plus élevé que les vannes pneumatiques, une précision inférieure, une polyvalence moins grande…De nombreux positionneurs de vanne nu-mériques (mais pas tous) sont conçus pour être associés avec n’importe quel type d’ac-tionneur ; il est toutefois préférable de mon-ter un positionneur avec une vanne du même fabricant pour disposer d’un posi-tionneur bien monté et de performances garanties. Il est également important de vé-rifier les alimentations en air minimale et maximale du positionneur pour s’assurer qu’il sera capable de travailler à la plage de pression requise par l’actionneur, à savoir de produire la poussée nécessaire pour moduler la vanne.Un autre critère sur lequel les utilisateurs doivent s’interroger concerne le type de dia-gnostics proposé. L’offre en la matière est segmentée en différents niveaux pour des raisons de prix ou d’adéquation avec les be-soins des clients. On peut choisir de ne ré-cupérer aucun diagnostic, d’accéder à des diagnostics standard ou évolués, voire d’en

obtenir lorsque la vanne est en marche. En règle générale, ces informations (dérive de la vanne, test de la signature de l’actionneur avec analyses automatiques des forces de friction et de l’étendue du ressort, analyse de performance en ligne, défaut du capteur, calculs statistiques, intégrité de la mé-moire…), disponibles via les protocoles de communication numériques, s’accompa-gnent de mouvements particuliers de la vanne, pas forcément compatibles avec le process, ce qui impose l’arrêt de ce dernier.

La mise en œuvre de l’ensembleParmi les autres critères de choix envisagea-bles, citons les performances de régulation (selon qu’il s’agisse d’une technologie pié-zoélectrique moins réactive et de débit d’air plus faible ou de relais pneumatiques), les aspects économiques sachant que la plupart des fabricants offrent des fonctionnalités si-milaires, la fiabilité et la simplicité d’utilisa-tion (montage, réglage, configuration…). Si, sur le principe de base, positionneurs (électro) pneumatiques et numériques sont identiques, ils diffèrent toutefois sur plu-sieurs points, et notamment en ce qui con-cerne la mise en œuvre.Dans le cas des positionneurs numériques à signal de commande analogique 4-20 mA, leur comportement n’est plus celui de dis-positifs passifs, mais de circuits actifs de par la présence d’un microprocesseur. La tension fixe sur la plage de signal 4-20 mA entraîne alors des méthodes de dépannage différentes de celles utilisées pour les positionneurs con-

ventionnels. L’aspect le plus important des positionneurs 4-20 mA concerne les exigen-ces en termes d’alimentation, ces derniers nécessitant généralement des tensions plus importantes que leurs équivalents tradition-nels. Si un positionneur 4-20 mA classique peut exiger une tension de seulement 2 à 3 Vcc, un modèle numérique 4-20 mA re-querra lui une tension de 8 à 14 Vcc, selon la marque et le modèle.Une attention toute particulière doit être ap-portée à la consommation dans les applica-tions faisant intervenir la fonctionnalité d’échelles séparées(1) ou split-ranging. Prenons l’exemple de deux positionneurs connectés en série sur la sortie analogique d’un système de contrôle capable de fournir un courant de 20 mA dans une charge de résistance de 400 Ω. Si l’on simplifie les cal-culs en ne prenant pas en compte la résistance du câble, la loi d’Ohm donne une tension disponible de 8 Vcc (20 mA x 400 Ω). Cette sortie serait donc incapable d’alimenter deux positionneurs de vanne numériques en série car ils requièrent en général au moins 8 Vcc chacun pour fonctionner correctement.Il est toujours possible d’ajouter un amplifi-cateur de signal pour être en mesure d’ali-menter les deux positionneurs. Les fabricants ont toutefois fait des efforts importants ces dernières années pour réduire la consomma-tion des positionneurs numériques, au tra-vers de celle des composants électroni-

Les spécifications techniques (protocole de communication, diagnostics, etc.) et l’intégration dans un environnement sont quelques-unes des questions que doit se poser tout utilisateur de positionneurs de vanne numériques.

La formation de personnel est une composante importante dans le choix d’une vanne de régulation et de son positionneur numérique.

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Architecture d’un positionneur de vanne

Capteur de pression

Capteur de pression

Point de consigne et alimentation

Traitement par microprocesseur

Conversion en pression

Etage d’amplification de la pression

Actionneur

Vanne

Capteur renvoyant la position de la vanne

Alimentation en air

Signal électrique

Signal électrique

Commande pneumatique

Commande pneumatique

Tige de vanne

Capteur de pression

Le rôle unique et principal d’un positionneur de vanne numérique est le même que celui de n’importe quel positionneur : placer la vanne à la consigne demandée venant d’un système de contrôle, via l’envoi d’un ordre de commande pour l’injection d’air à l’actionneur, ordre qui dépend de la position réelle mesurée par rapport à la consigne (principe du contrôle en boucle fermée). Un positionneur numérique se compose d’un bloc électronique intégrant un convertisseur analogique/numérique (CAN) pour transformer le signal analogique 4-20 mA en signal numérique, un microprocesseur pour le traitement de signal (suivi en temps réel de l’écart entre la valeur issue d’un capteur de position installé sur la vanne et la consigne) et un convertisseur numérique/analogique (CNA) pour envoyer des microcourants au bloc pneumatique. La deuxième partie d’un positionneur est le bloc pneumatique qui délivre des micropressions d’air comprimé pour ouvrir ou fermer la vanne (via une mise en équilibre).

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ques, des capteurs, etc. Si les premières générations de positionneurs affichaient une tension d’alimentation de 11,5 V, les généra-tions actuelles ne supportent plus que 9 V.Lorsque l’on implémente un positionneur de vanne numérique utilisant un protocole de communication Foundation Fieldbus ou Profibus comme signal de commande, l’uti-lisateur doit s’assurer de l’interopérabilité entre le logiciel intégré et la version du sys-tème hôte. Ils doivent en effet “parler” le même langage (le protocole numérique) et le même dialecte (la version d’interopérabi-lité). On retrouve également les aspects de faible consommation, les positionneurs pou-vant être connectés sur le même bus que d’autres instruments. Plus le courant con-sommé par chaque dispositif sera faible, plus le nombre d’appareils sur un même bus sera grand… tout en répondant aux exigences des installations en environnements dange-reux (applications à sécurité intrinsèque, par exemple).Comme on l’a vu précédemment avec les

Les critères de choix Critère Positionneur électropneumatique Positionneur 4-20 mA Hart Positionneur numérique (FF ou Profibus)

Alimentation 2-3 Vcc 6-12 Vcc (8 Vcc typique) 9-32 Vcc

Echelle séparée (split-ranging) Tige modifiée, soufflet, ressort de retour ou une combinaison des trois exigée

Vérifier la compatibilité de la tension de sortie du système pour 2 positionneurs à 20 mA, ainsi que  la possibilité d’une configuration en split-ranging

Vérifier la possibilité d’une configuration  en split-ranging et la présence d’un bloc fonction Output Splitter

Outils d’étalonnage locaux Tournevis, clés ou outils spéciaux exigés Positionneur doté d’un écran LCD ou d’interface à Del Positionneur doté d’un écran LCD ou d’interface à Del

Etalonnage à distance Pas possible Via un calibrateur portable, une interface PC avec  un modem Hart ou une interface intégrée dans  un PAM utilisant l’EDDL, le DTM ou un logiciel additionnel

Via un calibrateur portable, une interface PC avec  un modem Hart ou une interface intégrée dans  un PAM utilisant l’EDDL, le DTM ou un logiciel additionnel

Réglages du zéro et de l’échelle Ajustement mécanique, manuel et interdépendant entre zéro et échelle

Etalonnage automatique et non interdépendant entre zéro et échelle(1)

Etalonnage automatique et non interdépendant entre zéro et échelle(1)

Etalonnage à distance Pas possible Vérifier la compatibilité Hart  Disponible dans le protocole

Réglage des performances Pas possible sans accessoires (surpresseur, soupape d’échappement rapide…)

Moyen pour définir la réponse à un signal d’entrée(1) Moyen pour définir la réponse à un signal d’entrée(1)

Autoréglage Pas possible Autoréglage automatique et préréglages itératifs Autoréglage automatique et préréglages itératifs

Montage à distance Pas possible Vérifier la présence d’une entrée pour installer  le capteur à distance

Vérifier la présence d’une entrée pour installer  le capteur à distance

Fonctionnalités de diagnostic Pas possible Aucunes, fonctions basiques (alarmes), avancées (signatures) ou en ligne

Aucunes, fonctions basiques (alarmes), avancées (signatures) ou en ligne

Compatibilité des pilotes Pas applicable EDDL ou FDT/DTM EDDL ou FDT/DTM

Révision de protocole Pas applicable Hart 5 ou supérieur ITK 5 ou supérieur

Sans-fil Pas possible WirelessHart ou ISA100 Pas applicable

fonctionnalités de diagnostic, qui peuvent avertir d’une défaillance imminente, source de dangers ou d’un arrêt coûteux, les posi-tionneurs de vanne numériques sont deve-nus de véritables appareils de terrain tout-en-un. Leurs multiples fonctionnalités contribuent ainsi à simplifier l’automatisa-tion d’un ensemble de vannes de régulation. Grâce à la présence d’entrées/sorties supplé-mentaires, les positionneurs numériques peuvent signaler une position haute ou basse via des contacts secs intégrés, retransmettre la position réelle de la vanne par l’intermé-diaire d’un transmetteur alimenté par la boucle de courant, ou être déportés (un po-tentiomètre installé sur la vanne remontera sa position). La vanne pourra ainsi être ins-tallée dans une zone soumise à des tempé-ratures très élevées ou à des radiations nu-cléaires jusqu’à une distance de 15 à 20 m du positionneur qui sera lui dans une zone plus sûre ou à température ambiante.Compte tenu des fonctionnalités des solu-tions numériques, les aspects de connectivité

Ce tableau liste les principaux facteurs à considérer lors du choix d’un positionneur, qu’il soit pneumatique (technologie conventionnelle), analogique 4-20 mA Hart ou numérique (Foundation Fieldbus [FF] ou Profibus). La fonctionnalité d’échelle séparée (split-ranging) permet, dans certaines applications (phase de démarrage, notamment), de disposer d’un signal entre 4-12 mA et 12-20 mA, par exemple, et non sur 4-20 mA. Il est parfois nécessaire de modifier la tige ou la raideur du ressort (profil d’ouverture) afin de conserver l’évolution linéaire entre 4 et 12 mA.

vont bien au-delà des “simples” entrées/sor-ties. Grâce à leurs capteurs intégrés et à la présence de mémoires enregistrant en con-tinu les données de performance, par exem-ple, les positionneurs numériques sont en mesure de fournir une mine d’informations et, donc, une image claire de l’état de la vanne de contrôle.

L’intégration des donnéesPour déployer l’ensemble des données à l’échelle d’un site ou d’une entreprise, via des interfaces Ethernet, Wi-Fi, les bus de ter-rain Foundation Fieldbus et Profibus, repo-sant tous sur le modèle OSI (Open Systems Interconnection), ces positionneurs doivent être intégrés dans un système de gestion des équipements d’une infrastructure (Plant Asset Management ou PAM) via un logiciel similaire aux drivers permettant à un ordi-nateur et une imprimante de communiquer entre eux.Pour les installations mettant en œuvre le protocole Hart, cette intégration nécessite

d’abord et avant tout que la sortie analogique soit compatible Hart. En outre, le système hôte ou le PAM doit prendre en charge l’une des deux technologies d’intégration, à savoir l’Electronic Device Descriptives Langue (EDDL) ou le Field Device Tool/Device Type Manager (FDT/DTM). Grâce à ces deux technologies, l’utilisateur accède aux don-nées du positionneur de vanne numérique. La même vérification doit être faite pour l’intégration dans les bus de terrain Foundation Fieldbus et Profibus, même si les informations sont numériques.Il arrive que le système hôte ne puisse pas communiquer selon le protocole Hart. Dans ce cas-là, il existe trois manières possibles d’extraire les données du positionneur de vanne numérique sans reconcevoir l’ensem-ble du système. Les convertisseurs Hart/ana-logique peuvent, par exemple, lire la valeur de la position de la vanne en Hart puis la convertir en un signal analogique pour le positionneur. Ils peuvent également lire les alarmes provenant d’un positionneur et les convertir en signaux discrets. C’est la solu-

tion la plus élémentaire, mais, comme il est nécessaire de disposer d’un convertisseur Hart/analogique par positionneur, cette so-lution peut s’avérer coûteuse et exiger des armoires plus grandes pour les répartiteurs.Une autre solution consiste à utiliser des multiplexeurs. Jusqu’à 16 positionneurs de vanne numériques Hart peuvent être connectés à un seul multiplexeur et un réseau de multiplexeurs peut supporter jusqu’à 7 936 appareils. Il faudra une nou-velle fois prévoir un emplacement supplé-mentaire dans les armoires pour accueillir ces multiplexeurs, ou alors modifier des cartes d’entrées/sorties déjà en place. Pour s’affranchir des problèmes d’encom-brement et de câblage, les technologies de communication sans fil deviennent une réponse de plus en plus souvent prise en compte.Deux protocoles régissent actuellement l’in-tégration du sans-fil dans les appareils Hart pour la configuration et la remontée des in-formations de diagnostic (la liaison filaire 4-20 mA restant privilégiée pour la régula-

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(1) Pour la plupart des positionneurs de vanne numériques

tion) : le WirelessHart (IEC/EN 62591) et l’ISA100.11a. Concrètement, il s’agit d’ajouter un adapta-teur sans fil sur le positionneur de vanne numérique et d’installer une passerelle qui réceptionnera les données envoyées par le ou les adaptateurs. Non seulement les utili-sateurs ne sont plus confrontés à la com-plexité du câblage, mais aussi l’adaptateur sans fil peut, dans de nombreux cas de fi-gure, être installé sans aucune interruption du process. Les industriels peuvent ainsi dé-ployer les communications sans fil d’une manière progressive, en ne commençant que par les positionneurs numériques associés à des vannes de contrôle critiques ou en fonc-tion des budgets alloués.

Sandro Esposito(*) et Stéphane LeledyDresser Masoneilan

(1) Dans certaines applications (phase de démarrage, notamment), l’utilisateur veut disposer d’un signal entre 4-12 mA et 12-20 mA, par exemple, et non sur 4-20 mA. (*) Tiré d’un article paru dans la revue Flow Control de novembre 2009

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