IMA4 2017/2018 P60

Présentation générale : Commande de niveau d'eau

Objectifs

Le principal objectif de ce projet est de créer un observateur, c’est-à-dire reconstruire des valeurs dont on ne dispose pas directement (débit de sortie, niveau d’eau, débit dans le tube reliant les 2 cuves) et de celle dont on dispose, à partir de valeurs mesurées et du modèle du système qui sera identifié.

Cet observateur va nous permettre de détecter s’il y a des anomalies (exemple : fuites) dans le système lors d’une simulation grâce à un capteur logiciel. Avec celui-ci nous allons pouvoir d’ailleurs voir la différence des valeurs entre le capteur physique et le capteur logiciel obtenu par l’observateur pour savoir si cela est cohérent. Et pouvoir alors gérer les pannes de capteurs s'il y en a.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

La mesure d'eau est essentielle pour la collecte de données statistiques et le commande de processus de l'industrie chimique, pétrochimique, et nombreux autres secteurs. Nous analyserons deux concurrents de différents secteurs. Le premier, ERM automatisme industriels, est chargé de la distribution d'eau potables, ils utilisent aussi une système de distribution à base de réservoirs, une pompe et de vannes. ils utilisent aussi le programme Labview pour la commande et mesures des réservoirs. Ils font études des systèmes stables et instables en boucle ouverte ou fermée. Nous analyserons juste une système en boucle fermée.

Analyse du premier concurrent : ERM automatisme industriels

Objectif

Etude des régulations de niveau, débit et pression dans les réservoirs et réseaux d’eau potable: Puisée et rendue potable, l’eau de consommation est généralement transportée vers un ou plusieurs réservoirs situés en hauteur.

Systeme

Son système doit permettre la distribution d'eau potable en quantité suffisante pour satisfaire aux besoins quotidiens des usagers et en même temps répondre à des soins exceptionnels et urgents (lutter contre les incendies. Le niveau des réservoirs, le débit et la pression de l'eau sont par conséquent contrôlés, ajustés et optimisés en permanence.

Régulation et distribution d’eau potable: Le système est constitué dans sa version de base de: •Réservoir d’eau représentant une réserve d’eau naturelle •Cuve de stockage d'eau potable •Transmetteur de niveau analogique (Ultrasons) pour mesure du niveau d'eau dans la cuve •Pompe à débit variable assurant le remplissage de la cuve •Un Transmetteur de débit analogique (Effet Vortex) •Vanne ¼ de tour manuelle permettant de régler le débit d'eau gravitaire en sortie de la cuve •Electrovanne de perturbation de débit

Commande

Des exécutables Labview de contrôle commande et mesures sont fournis avec le matériel.

• Analyse fonctionnelle: systèmes de stockage et distribution d’eau potable (SysML fourni) • Etude des différents principes de mesures (Lois physiques, capteur, transmetteur,...) • Etude des pompes à débit variable et des vannes • Identification d’un système stable en BO, en BF (Description des différentes méthodes) • Régulation et asservissement de niveau simple (P, PI, PD, PID), • Régulation de niveau intégrateur • Etude d’un système instable en BO, en BF(Description des différentes méthodes) • Etude des économies d’énergie dans la gestion d’un réseau d’eau potable

Analyse du second concurrent : L'activité PISCINE

Objectif

Fondateur d’une société spécialisée dans les installations de sécurité pour les piscines. Le niveau automatique ou remplissage automatique se charge seul de compléter le niveau d’eau d’un bassin, à la suite d’une évaporation, de baignades turbulentes ou d’un lavage de filtre. On l’installe notamment en présence d’un volet automatique immergé.

Problème

La régulation du niveau d’eau de leur piscine. Soit ils n’avaient pas pensé, à la construction, à équiper leur bassin d’un système automatique, soit ce système scellé dans les plages était tombé en panne et ne pouvait être réparé qu’à grands frais. Les solutions qu’ils avaient trouvé n’étaient pas satisfaisantes : jeter un tuyau d’arrosage dans le bassin et attendre de longues minutes, ou faire « biper » une alarme (mais elle ne bipe jamais au bon moment.

Bien pratique, ce dispositif peut toutefois, si l’on n’y prend pas garde et s’il n’est pas équipé d’un dispositif d’alerte détectant un remplissage constant et anormal, masquer une éventuelle fuite. Pièce maîtresse, le robinet flotteur est relié généralement directement au réseau d’eau de la commune avec une simple vanne d’isolement, quand elle existe.

Pour peu qu’il soit défectueux (coincé en position d’ouverture à la suite d’une accumulation de dépôt de calcaire, par exemple), le remplissage ne s’arrête plus. Et si la piscine est pourvue d’un trop-plein, l’apport d’eau neuve risque de s’écouler longtemps avant que l’on ne s’en aperçoive.

Commande

Risque potentiel de fuite et des quelques contrôles indispensables à connaître afin d’éviter les mauvaises surprises, à savoir :

• un remplissage automatique en action est généralement audible et un bruit d’eau permanent doit alerter l’utilisateur ;
• un niveau d’eau toujours trop haut dans une piscine dépourvue de trop-plein doit lui mettre la puce à l’oreille ;
• une température d’eau qui ne s’élève pas (et pour cause : on remplit à l’eau froide !) est anormale ;
• un traitement d’eau, contrecarré par l’ajout d’eau incessant du réseau qui vient annuler l’effet des corrections, reste inefficace…

Sans ces contrôles, un dysfonctionnement ne peut être détecté

Solutions

Un moyen simple et efficace pour limiter ces pertes d’eau consiste à raccorder le robinet flotteur à une électrovanne pilotée par une horloge programmée 1 à 2 heures par jour, selon le débit du réseau. Cela permettra de compenser les pertes d’eau normales sans masquer d’éventuelles fuites ou un blocage du robinet flotteur. Un simple programmateur ménager suffirait techniquement pour piloter une électrovanne en 220 V, mais on la choisira impérativement en basse tension 24 V par mesure.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Ce projet peut être mis en place dans les usines utilisant des fluides comme le pétrole, ou encore du liquide explosif. Ce qui peut représenter un grand danger notamment s'il y a des anomalies dans le processus. Il y a donc une nécessité de superviser chaque mesure du système. Pour mettre en place ceci nous avons alors besoin de redondance de capteurs. Mais dans ce cas, que faire lors d'une panne de capteurs ? On va devoir vérifier les cas d’erreurs les plus probables. Pour cela, on va avoir besoin de prévoir la valeur des variables critiques du système et l'associer avec une solution possible selon le problème.

Réponse à la question difficile

Question : Est-ce possible de réaliser un tel projet avec tout type de système (système ouvert, ...) ?

La création d'un observateur est possible pour tout système dynamique avec des mesures de grandeurs connues. Car, en soit un observateur d'état est une extension d'un modèle représenté sous forme de représentation d'état. Lorsque l'état d'un système n'est pas mesurable, on conçoit un observateur qui permet de reconstruire l'état à partir d'un modèle du système dynamique et des mesures d'autres grandeurs.

Préparation du projet

Analyse fonctionnelle

Choix techniques : matériel et logiciel

Pour ce projet, nous allons avoir à disposition le système à 2 réservoirs présent en C008. Celui est composé de deux réservoirs, six vannes, d'un serpentin de retard, d'une pompe et d'un panneau de commande. Ce système est commandé par un ordinateur équipé d’une carte d’acquisition National Instrument, et du noyau Temps Réel dans le logiciel Matlab.

Matlab simulink est un logiciel de modélisation visuelle des systèmes physiques et dynamiques qui peut simuler diverses données avec l'objectif d’assurer que le système marche conformément aux spécifications données et aussi l’optimiser.

Le logiciel a la fonction de réguler le système à cuve en utilisant trois solutions différentes :

• Un correcteur PID
• Une régulation en cascade
• La logique floue

Selon la solution choisie, il trouvera les paramètres du correcteur, présentera la courbe du niveau d’eau en fonction du temps, et corrigera l’erreur du système en sachant les entrées mais sans la connaissance de son modèle mathématique.

Liste des tâches à effectuer

Etape 1 :

Modélisation mathématique du système à l'aide des lois physiques puis estimation des paramètres du modèle à l'aide des données (débit d'entrée et hauteurs mesurées).

Exemple : Si on a modélisé le système et on obtient un deuxième ordre qui est de la forme : Y(p)/U(p)= K/(p^2+a*p+b). Pour estimer les paramètres du modèle, il faut estimer K, a et b

Etape 2 :

Conception de l'observateur du système (fait par calcul) et son implémentation sous Matlab Simulink.

Etape 3 :

Génération des signaux indicateurs de défauts appelés résidus à partir des mesures recueillies directement sur le système physique et données générées par l'observateur

Etape 4 :

Mise en place d'un test statistique pour générer des alarmes

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	8
Travail sur le wiki	2	1	1	1	3	2
Modélisation sous Simulink		3	2	2
Étalonnage des réservoirs (tension -> cm)			3		2	2
Recherche sur les différents éléments du système (principe, datasheet,..)			2	3	1	2

Semaine 1

Nous avons débuté réellement le projet lors de la séance du 16 janvier 2018 de 14h à 16h car avant cela nous n'avions pas accès à la salle. Nous avons bénéficié d'un récapitulatif de notre tuteur sur notre projet de manière générale et sur quoi nous allions commencé pour démarrer le projet.

Câblage du système

Notre premier objectif est tout d'abord de se familiariser avec Matlab en lien avec la maquette des 2 cuves via la carte d'acquisition 6024E intégrée dans la tour d'ordinateur et connectée à la commande qui permet de gérer le système. Une fois le modèle de base recréé sur Matlab en mode temps réel, il nous a été demandé dans un premier temps de trouver comment retrouver grâce au capteur, le niveau d'eau de la première cuve.

Pour cela, il nous fallait d'abord savoir sur quel "channel" était connecté le capteur du premier réservoir afin de demander cette entrée au niveau de Matlab. N'ayant pas de documentation technique à notre disposition, nous nous sommes permises de demander à des élèves de cinquième année le numéro des "channel" pour le capteur de niveau du réservoir 1 et du réservoir 2.

En observant le signal en sortie, nous avons pu remarquer qu'il y avait beaucoup de bruit et que la valeur même moyenne du signal ne correspondait pas à la mesure en cm du niveau d'eau. Il faut alors réfléchir à une solution pour résoudre ce problème.

Semaine 2

Système Simulink

Après vérification au près de notre tuteur, nous avions faux sur le numéro du "channel" pour le premier réservoir, ce qui explique pourquoi nous n'avions pas un signal de sortie correct. Ensuite, nous avions à résoudre le problème du bruit sur le signal de sortie, pour cela nous avons régler la fonction de transfert de notre filtre pour diminuer le bruit avec une valeur de gain obtenu à l'aide des fonctions tf et c2d (conversion d'un système de temps continu à temps discret) de MATLAB. Nous avons par la suite ajouté l'étalonnage, sa fonction est de donner une relation de valeurs entre la tension et la hauteur en cm du réservoir, car les capteurs de niveau d’eau mesurent seulement la tension. Pour trouver les valeurs de l'étalonnage, une personne a visualisé la hauteur de chaque cuve, tandis que la deuxième a noté les valeurs correspondantes en tension indiquées grâce à l’oscilloscope placé sur notre système sur Simulink.

Lors de la phase d'étalonnage, il faut que les vannes restent dans la même position, par conséquent nos résultats étaient faux en temps réel et nous avons du réitérer cette opération. Notre tuteur nous a demandé ensuite de recalibrer notre signal d'entrée du système, en regardant sur le signal de sorti à l'oscilloscope à partir de quelle tension la courbe devient linéaire, et ajuster le signal d'entrée en fonction de ceci.

Notre tuteur nous a proposé d’étudier :

- Les caractéristiques de capteurs de niveau des cuves et les principes physiques qu’ils utilisent
- Le boitier National Instruments, documentation technique et son câblage.
- Déterminer pourquoi l’étalonnage change quand on ouvre les vannes.

Semaine 3

Lors de cette semaine nous nous sommes concentrés sur l'étude des caractéristiques des capteurs de niveau d'eau, la documentation technique et le câblage de la carte d'acquisition PCI 6024-E, et la question de l'influence des vannes (ouvertes ou fermées) sur l'étalonnage.

Lors de nos recherches, nous avons trouvé 3 capteurs possibles pour une étude du niveau d'eau :

• Capteur de pression différentielle
• Capteur hydrostatique
• Capteur de pression relative et absolue

Après observation, nos capteurs de niveau correspondent à la technique du capteur hydrostatique.

Explication technique capteur hydrostatique à faire

Semaine 4

• Etalonnage