Les bases : de quoi parle-t-on ?
Une régulation, c'est trois choses : une mesure, une consigne, et un organe qui agit pour rapprocher la première de la seconde. Tout le reste n'est que du réglage.
Le vocabulaire de base
PV | Process Value — la mesure (niveau, température, débit, O₂…) |
SP | Setpoint — la consigne, ce qu'on veut obtenir |
ε | Écart = SP − PV. Le moteur du régulateur. |
MV | Sortie (0–100 %) envoyée à la vanne / au variateur |
OP | Autre notation de la sortie (Output) |
Les 3 modes du régulateur
- MANU — l'opérateur impose la sortie MV à la main.
- AUTO — le régulateur calcule MV à partir de SP local.
- CASCADE / SUIVEUR — la consigne SP vient d'un régulateur maître.
Boucle ouverte / boucle fermée
Connaître son procédé avant de régler
Gain statique K
De combien varie la mesure pour 1 % de vanne, une fois stabilisé. Ex. : +1 % d'eau alim → +0,4 % de niveau ballon.
Constante de temps T
L'inertie. Temps pour atteindre 63 % de la variation finale. Une surchauffe vapeur : dizaines de secondes. Une température de four : plusieurs minutes.
Temps mort L
Le retard pur avant que ça bouge. C'est l'ennemi n°1 : plus L est grand devant T, plus il faut un régulateur mou. Typique sur les mesures de fumées (transport + analyseur).
L/T > 0,5, oublie le PID agressif —
il faut ralentir la boucle, ou ajouter une anticipation (feedforward), comme sur le niveau ballon.Sens d'action : direct ou inverse
Action inverse (la plus courante)
PV monte → sortie MV descend. Exemple : la température vapeur monte → on ferme… non, on ouvre l'eau de désurchauffe. Attention : c'est le couple sens du régulateur + sens de la vanne qui compte.
Position de sécurité
Toute vanne a un comportement au manque d'air / manque de signal : FO — ouverte FC — fermée FL — bloquée. À vérifier avant toute intervention.
Les signaux : 4–20 mA, 0–10 V, TOR, bus
Avant de réguler, il faut transporter l'information. En UVE, l'immense majorité des mesures analogiques circulent en boucle de courant 4–20 mA. Voici pourquoi, et comment la lire.
Pourquoi 4 mA et pas 0 ?
C'est le zéro vif (live zero). Un capteur au minimum d'échelle délivre 4 mA, pas 0. Conséquence : 0 mA = câble coupé, et on le détecte immédiatement. Avec un 0–20 mA, on ne distingue pas « mesure nulle » de « fil arraché ».
- Le courant ne s'atténue pas sur la longueur du câble (contrairement à une tension).
- Excellente immunité aux perturbations électromagnétiques — utile près des variateurs.
- Alimentation et signal sur la même paire : c'est le 2 fils (transmetteur alimenté par la boucle).
Seuils NAMUR NE43 — diagnostic
| < 3,6 mA | Défaut capteur / repli bas |
| 3,8 → 4,0 | Sous-échelle tolérée |
| 4,0 → 20,0 | Plage de mesure valide |
| 20,0 → 20,5 | Sur-échelle tolérée |
| > 21,0 mA | Défaut capteur / repli haut |
BAD ou qui se fige à la valeur basse
d'échelle, c'est en général ça : va lire le courant réel en armoire avant d'accuser l'automate.Convertir un courant en grandeur physique
La relation est strictement linéaire :
Calculateur d'échelle
Le panorama des signaux que tu croises en salle de conduite
| Signal | Type | Usage typique en UVE | Points de vigilance |
|---|---|---|---|
| 4–20 mA | Analogique | Pression, débit, niveau, température transmise, position vanne, O₂ | Charge de boucle max (souvent 250–600 Ω) ; une seule masse |
| 0–20 mA | Analogique | Vieilles sorties de commande | Pas de détection de coupure |
| 0–10 V / 2–10 V | Analogique | Commande de variateurs, servomoteurs de registres | Chute de tension si câble long ; sensible aux parasites |
| 1–5 V | Analogique | Image d'un 4–20 mA sur résistance 250 Ω | Sert de point de mesure sans ouvrir la boucle |
| TOR 24 VDC | Logique | Fins de course, pressostats, ordres marche/arrêt | Logique positive/négative ; contact NO ou NF |
| Contact sec | Logique | Report de défauts, sécurités câblées | Alimenté par l'entrée automate |
| Pt100 / Pt1000 | Résistif | Températures eau, vapeur, paliers | Montage 3 ou 4 fils obligatoire — le 2 fils fausse par la résistance de ligne |
| Thermocouple K / J / N | Millivolts | Températures four, fumées haute température | Compensation de soudure froide, câble d'extension compensé, polarité |
| HART | Numérique sur 4–20 | Paramétrage / diagnostic transmetteurs sans les déposer | Superposé au 4–20 mA, ne le perturbe pas |
| Modbus / Profibus / Profinet | Bus | Variateurs, analyseurs, sous-ensembles fournisseurs (HZI) | Watchdog de communication : prévoir le repli en cas de perte |
| PWM / train d'impulsions | Logique | Commande de servomoteurs 3 points (ouvrir/fermer) | Pas de recopie ⇒ position estimée, à recaler en butée |
Commande 3 points vs signal continu
Beaucoup de registres et vannes motorisées ne reçoivent pas un 4–20 mA mais deux ordres TOR : OUVRIR et FERMER. Le régulateur convertit sa sortie % en impulsions. Sans recopie de position, l'automate estime l'ouverture — d'où les recalages en butée.
Recopie de position
Une vanne bien instrumentée renvoie sa position réelle en 4–20 mA. C'est cette recopie qui permet de voir sur le synoptique l'écart entre commande et position — signature typique d'un grippage ou d'un manque d'air instrument.
Tout ou rien : la régulation la plus simple
Deux états, rien entre les deux. On enclenche, on déclenche. Simple, robuste, pas cher — mais la mesure oscille toujours autour de la consigne. C'est structurel, pas un défaut de réglage.
Principe et hystérésis
Si on démarrait et arrêtait exactement à la consigne, l'organe battrait des dizaines de fois par minute (« pompage »). On introduit donc une bande morte (hystérésis) :
- Démarrage quand PV < SP − h
- Arrêt quand PV > SP + h
Plus h est grand, moins l'organe démarre… mais plus l'écart de mesure est important. C'est le compromis du tout ou rien.
Où on le trouve en UVE
- Remplissage de bâches et de fosses (marche/arrêt de pompe sur niveaux hauts/bas)
- Purges périodiques temporisées
- Réchauffage électrique de tracing, résistances de garde
- Sécurités et alarmes seuils (pressostats, thermostats, niveaux à flotteur)
- Décolmatage des filtres à manches (séquentiel, sur perte de charge)
Simulateur — remplissage de bâche
P, PI, PID : le régulateur continu
Ici la sortie est proportionnelle, de 0 à 100 %. Trois actions se cumulent, chacune répondant à une question différente : « où en est l'écart ? », « depuis combien de temps ? », « dans quel sens ça part ? ».
P — Proportionnel
Sortie = Kp × ε. Réagit à l'amplitude de l'écart.
- Kp ↑ → plus rapide, mais oscillant
- Laisse toujours un écart statique (offset) : sans erreur, plus de sortie
- Bande proportionnelle BP % = 100 / Kp
I — Intégral
Accumule l'écart dans le temps jusqu'à l'annuler.
- Supprime l'écart statique
- Ti petit = intégrale forte = risque d'oscillation lente
- Danger : l'emballement d'intégrale (windup) quand la vanne est en butée
D — Dérivé
Réagit à la vitesse de variation. C'est l'anticipation.
- Amortit les dépassements sur procédés lents (températures)
- Amplifie le bruit ⇒ à proscrire sur débit et pression
- En pratique en UVE : souvent laissé à 0
Simulateur PID — procédé du 1er ordre avec temps mort
Réglage : la méthode qui marche en salle de conduite
Approche empirique par approches successives
- Ti au maximum (intégrale quasi nulle), Td = 0.
- Monter Kp jusqu'à obtenir une oscillation juste entretenue → noter Kposc et la période Tosc.
- Redescendre Kp à ≈ 0,45 × Kposc.
- Régler Ti ≈ 0,85 × Tosc.
- Ajouter du D uniquement si la mesure est propre et le procédé lent.
- Valider sur une perturbation réelle, pas seulement sur un échelon de consigne.
Ordres de grandeur en UVE
| Boucle | Type | Dynamique |
|---|---|---|
| Débit / pression | PI, Kp faible, Ti court | Secondes |
| Niveau ballon | PI + anticipation | Dizaines de s |
| Température vapeur | PID cascade | 1–3 min |
| O₂ / combustion | PI très lent | Minutes |
| Température fumées | PI lent + split range | Minutes |
Niveau ballon : 1, 2 ou 3 éléments
C'est la boucle critique de la chaudière. Trop bas : découvrement des tubes. Trop haut : entraînement d'eau dans la surchauffe et la turbine. Et le procédé ment — c'est tout le sujet.
Le piège : gonflement et tassement (swell & shrink)
L'eau du ballon contient des bulles de vapeur. Quand la demande vapeur augmente brutalement, la pression chute légèrement, les bulles se dilatent : le niveau monte alors qu'on vient de perdre de la masse d'eau. C'est le gonflement.
Un régulateur 1 élément voit le niveau monter et… ferme l'eau alimentaire. Exactement le contraire de ce qu'il faut faire. Quelques dizaines de secondes plus tard, les bulles se recondensent, le niveau s'effondre, et le régulateur ouvre en grand : la boucle oscille.
À la baisse de charge, c'est l'inverse : le tassement.
| Architecture | Entrées | Domaine d'emploi |
|---|---|---|
| 1 élément | Niveau | Démarrage, faible charge, chaudières à faible inertie de charge |
| 2 éléments | Niveau + débit vapeur | Anticipation de la charge, vanne à bonne autorité |
| 3 éléments | Niveau + débit vapeur + débit eau | Marche normale en UVE — insensible aux variations de pression alim. |
Simulateur — comparer les trois architectures
Puis clique « Chute pression alim. » : en 2 éléments le niveau décroche, en 3 éléments la boucle interne de débit rattrape en quelques secondes.
Compensation de pression
Le niveau est mesuré par ΔP entre deux piquages. La masse volumique de l'eau et de la vapeur dépend de la pression : sans compensation en pression, le niveau affiché est faux à froid comme en transitoire.
Trois mesures, un vote
Les sécurités niveau ballon sont en général en 2 sur 3 : trois transmetteurs indépendants, déclenchement si deux concordent. Ça évite l'arrêt d'urgence sur une seule mesure en défaut.
Vanne principale / vanne de démarrage
Au démarrage, les débits sont trop faibles pour la grosse vanne : on passe par une vanne de petit calibre (souvent 20–30 % du Kv), puis on bascule. Le basculement doit être sans à-coup.
Deux désurchauffes vapeur en série
Sur la chaudière, la vapeur traverse plusieurs surchauffeurs. Entre eux, on injecte de l'eau pulvérisée pour maîtriser la température finale. Deux étages en série, ce n'est pas deux fois la même boucle : chacun a un rôle distinct.
Pourquoi deux étages ?
- Protection métal. Un seul étage en fin de parcours laisserait les tubes du dernier surchauffeur monter trop haut avant correction. La désurchauffe amont protège le métal de SH2/SH3.
- Précision. L'étage aval, proche de la sortie, corrige finement la température garantie (typiquement ≈ 400 °C / 40 bar sur une chaudière UVE).
- Plage. Deux injections répartissent la charge thermique et évitent une vanne unique travaillant en permanence proche de sa butée.
Architecture retenue : cascade + répartition
Le régulateur maître surveille la température de sortie finale. Il envoie une consigne à l'étage aval (DES2), rapide. En parallèle, l'étage amont (DES1) tient une consigne de température intermédiaire, elle-même corrigée si DES2 s'approche de sa butée.
- Jamais d'injection si le débit vapeur est trop faible — l'eau ne se vaporise pas et arrive liquide sur le tube suivant : choc thermique.
- Toujours conserver une surchauffe minimale (typiquement ≥ 15–20 K au-dessus de la saturation) en aval de l'injection.
- L'eau de désurchauffe doit être de qualité eau alimentaire : elle finit dans la vapeur turbine.
Simulateur — deux étages en série
Économiseur extérieur, DeNOx et les deux vannes 3 voies
Objectif de la boucle : maintenir la température des fumées à 195 °C en sortie d'économiseur extérieur, en jouant sur la température de l'eau qui y entre. Deux vannes 3 voies, pilotées en split range par un seul régulateur.
Le compromis thermique
L'économiseur extérieur est placé en aval du traitement des fumées et du DeNOx catalytique. Il récupère la chaleur résiduelle pour préchauffer l'eau alimentaire. Mais on ne peut pas refroidir les fumées autant qu'on veut :
- Trop froid On descend sous le point de rosée acide : condensation d'acide sulfurique sur les tubes → corrosion rapide, et colmatage du conduit et de la cheminée.
- Trop chaud Rendement dégradé, pertes à la cheminée, et contraintes sur les équipements aval (ventilateur de tirage, cheminée).
- 195 °C Le point de fonctionnement retenu : marge suffisante au-dessus du point de rosée, tout en récupérant le maximum d'énergie.
Le levier : la température d'entrée d'eau
On ne module pas le débit de fumées. On agit sur la température de l'eau qui entre dans l'ECO ext :
- Eau froide → gros échange → fumées refroidies davantage.
- Eau réchauffée → échange réduit → fumées plus chaudes.
Pour réchauffer, on fait passer l'eau par une seconde épingle placée dans la partie chaude (côté ballon), qui joue le rôle d'échangeur de préchauffage. On peut aussi la court-circuiter et envoyer l'eau directement dans l'économiseur.
Split range — un régulateur, deux vannes
Le TIC fumées calcule une sortie unique de 0 à 100 %. Cette sortie est répartie sur les deux vannes 3 voies, chacune agissant sur une moitié de la plage. Résultat : une seule boucle à régler, et une action continue sans discontinuité au passage d'une vanne à l'autre.
Sortie 0 → 50 % : action sur V1
V1 dose la fraction d'eau qui traverse réellement l'économiseur extérieur, le reste passant par le bypass. À 0 % de sortie, tout le débit passe dans l'ECO : échange maximal, fumées les plus froides. À 50 %, le bypass est ouvert au maximum utile. V2 reste au repos (épingle court-circuitée).
Sortie 50 → 100 % : action sur V2
Si le bypass ne suffit plus à tenir 195 °C (charge faible, fumées déjà froides), on commence à faire passer l'eau par la deuxième épingle : elle arrive plus chaude dans l'économiseur, l'échange diminue encore, la température des fumées remonte. À 100 %, tout le débit est réchauffé.
Simulateur — boucle température fumées 195 °C
Interaction avec le DeNOx
Le catalyseur SCR a une fenêtre de température d'activité. Trop froid, la réaction ne se fait pas et l'ammoniac passe (slip). L'ECO placé en aval évite de refroidir le catalyseur — mais toute action sur cette boucle influence indirectement les émissions de NOx.
Vanne 3 voies : mélange ou répartition
Une 3 voies peut être mélangeuse (2 entrées, 1 sortie) ou répartitrice (1 entrée, 2 sorties). Ce n'est pas interchangeable : monter une mélangeuse en répartition génère des coups de bélier et un fonctionnement instable.
Débit total constant
Grand intérêt du montage 3 voies : le débit total d'eau alimentaire ne change pas, on ne fait que le répartir. La régulation de niveau ballon n'est donc pas perturbée par la boucle température fumées. Les deux boucles sont découplées.
Le panel des régulations de L'Interval
Vue d'ensemble des boucles présentes sur l'installation, par zone. Filtre par type pour repérer les architectures similaires.
| Zone | Boucle | Mesure | Organe | Architecture | Enjeu |
|---|---|---|---|---|---|
| Chaudière | Niveau ballon | Niveau ΔP compensé + débit vapeur + débit eau | Vanne alim. (pompes 2630P110A/B/C) | 3 éléments — cascade + anticipation | Découvrement tubes / entraînement d'eau |
| Chaudière | Température vapeur surchauffée | T sortie SH3 + T intermédiaire | 2 vannes de désurchauffe 2630XV512 | Cascade 2 étages en série | Tenue métal / garantie turbine |
| Fumées | T fumées sortie ECO ext | T fumées 195 °C | 2 vannes 3 voies (bypass ECO + épingle) | PI + split range | Rosée acide / rendement |
| Four | Puissance / charge four | Débit vapeur, T four | Vitesse grille, poussoirs | PI lent + limitations | Stabilité de la combustion |
| Four | Teneur en O₂ fumées | Analyseur O₂ | Registres air primaire / secondaire | PI très lent (temps mort important) | Combustion complète / CO |
| Four | Dépression foyer | Pression four | Ventilateur de tirage (variateur) | PI rapide | Pas de mise en pression / fuites |
| Vapeur | Pression vapeur collecteur | Pression | Vanne admission turbine / bypass | PID + partage de charge | Stabilité réseau vapeur |
| Vapeur | Niveau bâche alimentaire | Niveau 2630J010A | Vanne d'appoint condensats | PI | NPSH pompes alim. |
| Vapeur | Pression dégazeur | Pression bâche | Vanne vapeur de barbotage | PI | Dégazage O₂ dissous |
| Purges | Purge continue ballon | Conductivité eau ballon | Vanne de purge continue | PI lent ou TOR séquentiel | Conductivité / entartrage |
| Purges | Niveau ballon éclatement purges | Niveau 2660D750 / 2660D650 | Vanne 2660XV620 | Tout ou rien avec hystérésis | Évacuation vers fosses |
| Purges | Refroidissement purges | T purges en sortie | Eau industrielle 3120XV583 / 3120XV593 | TOR sur seuil, rampe d'aspersion en secours | Protection réseau aval |
| Purges | Reprise bâche récupération | Niveau 2660D600 | Pompes 2660PM610A/B | TOR marche/arrêt + permutation | Récupération condensats |
| Eau | Conditionnement chimique | pH, conductivité, O₂ | Pompes doseuses | PI + dosage proportionnel au débit | Corrosion / dépôts |
| Eau | Production eau déminéralisée | Conductivité, niveaux | Chaînes de traitement | TOR séquentiel + PI conductivité | Qualité eau chaudière |
| Refroid. | T circuit de refroidissement | T retour 2650E310/320/330/340 | Pompes 2650P370A/B, vanne 3 voies | PI sur vanne 3 voies | Tenue échangeurs / auxiliaires |
| DeNOx | Injection réactif NOx | NOx cheminée + débit fumées | Pompe doseuse / vanne réactif | PI + anticipation par la charge | Émissions / slip ammoniac |
| Traitement fumées | Décolmatage filtres à manches | Perte de charge FAM1/FAM2 | Électrovannes d'air comprimé | TOR séquentiel sur ΔP | Perte de charge / durée de vie manches |
| Traitement fumées | Dosage réactifs (chaux, charbon actif) | HCl / SO₂ cheminée | Doseurs volumétriques | PI + anticipation charge | Respect des VLE |
| REFIOM | Transport pneumatique / silos | Niveaux silos, pression transport | Vannes, surpresseurs | TOR séquentiel | Continuité d'évacuation |
Les repères KKS cités proviennent des P&ID « tel que construit » de la zone purges. Les autres boucles sont listées par fonction — à compléter avec la LIS de la zone concernée.
Repères KKS utiles — zone purges et eau alimentaire
Capacités
2650D500 Ballon purges turbine · 2660D600 Bâche récupération purges · 2660D650 Ballon éclatement purges GTA · 2660D750 Ballon éclatement purges chaudières · 2660D500 Bâche à condensats · 2630J010A Bâche alim. / dégazeur
Échange et refroidissement
2660E660 serpentin GTA · 2660E760 serpentin chaudières · 2650E310/320/330/340 échangeurs · 2650P370A/B pompes eau de refroidissement
Organes et utilités
2660PM610A/B pompes reprise · 2660HS615 · 2660XV620 · 3120P530A/B/C eau industrielle · 3120XV583 (GTA) / 3120XV593 (chaudières) · 2630P210A/B/C eau de désurchauffe · 2630XV512
Documents de référence
P&ID C0-3011 · E0-3027 · E0-3023 · E0-3022 · E0-3018 · E0-3030 · E0-3012
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Vérifier ses acquis
Dix questions. Une seule bonne réponse à chaque fois.