Brevet FR2246903A1 — publié le 19750502

La présente invention se rapporte aux procédés de contrôle automatique du fonctionnement des processus industriels tels que les traitements chimiques. On connaît de nombreux système de commande des opérations industrielles établis de façon à permettre au personnel chargé de les faire fonctionner de maintenir des conditions uniformes de marche automatique. Quand le fonctionnement stable a été établi, le rôle principal de ce personnel est d'établir les réglages fins pour atteindre les conditions optimales et pour permettre de répondre à toute condition critique ou inhabituelle pouvant apparaîter. Les boucles normales de commande des Qraitements sont en général con çues pour maintenir des variables fondamentaless par exemple les températurese les pressions, les débits etc..., à des valeurs telles qu'elles puissent être choisies par le personnel de commande. Les opérateurs coopèrent ainsi avec un groupe de boucles indivi- duelles de commande pOUr déterminer le mode de fonctionnemenb de l'équipement. Bien que la conception d t établissemenw des conditions optimales soit simple elle est extrêmement difficile å mettre en pratique, car elle iplique un réglage de toutes les variabyles de fonctionnement pour obtenir le bénéfice maximal global.La prix des installations et du travail du personnel de commande, ainsi que les frais résultant de ltobtention d'un produit ne répondant pas aux spécifications doivent entrer en ligne de compte dans Se ealcul. Le fonctionnement continu avee une rotation du personnels les modifications des traitements, les défaillanees de l'équipement et le nombre des variables qui nécessitent l'attention du conducteur permettent rarement d'obvenir une condition vraiment optimale. Une approximation quton peut utiliser pour rendre optimal le fonctionnement de ces équipements de traitement consiste à utiliser des calculatrices importantes pour effectuer des calculs à partir de données fournies par des instruments, afin de déterminer la condition optimale de marche à n'importe quel moment. Ces calculs nécessitent la préparation de modèles mathématiques complexes simulant les performances de léquipement. Il est facile de voir qu'un tel système est extrêmement coûteux et complexe, bien aue dans certains cas il puisse être justife pour des productions à très à très grande échelle.Cependant, un tel système est en dehors des possibilités d'action du personnel de commande parce que celui-ci ne peut pas agir efficacement sur un tel fonctionnement commandé par ealculatrice. La présente invention a pour objet un procédé utili sant un système plus simple que les installations coûteuses à calculatrices considérées ci-dessus, ce système n'étant pas entièrement automatique et permettant la coopération du personnel de eom- mande et du système à instruments de mesure. Cette coopération est nécessaire pour obtenir les performances optimales de ltéquipement ou pour obtenir une production maximale ou un rendement maximal. Pour un équipement classique de traitement, une ana- lyse des variables importantes est faite pour déterminer la valeur limite ou valeur cible de chaque variable (souvent une valeur maximalt ou minimale admissible). Ces limites sont appelées ci-après des "contraintes"* Le fonctionnement optimal de ltéquipement'sera nor- malement obtenu en fonction de l'une des contraintes,mais pas toujours la même.Le système de commande selon l'invention contrôle directement QU calcule à partir de mesures indirectes toutes les variables choisiessélectionne ensuite la variable de limitation, etest-à-dire la plus voisine de sa valeur de contrainte. En utilisant un disposìblf de commande à réaction, on agit sur la vitesse~ d'aliment tion QU une autre variable fondamentale afin que ltéqui- pement soit commandé en fonction de la variable de limitation.Par exemple un système de commande peut provoquer une production maxi- male (ou conduire à une production fixee) ou bien peut minimiser une consommation d'une importance particulière, comme la force motrice nécessaire pour un compresseur important. Le système de conrôle des contraintes établit d'une façon automatique une approche pour un optimum approximatif, tout en permettant une intervention de ltopérateur pour le passage au-delà de cet optimum approximatif. 'Un'système de contrôle des contraintes comporte un jeu d'équations et d'éléments de calcul numérique ou analogique pour résoudre de façon continue ou répétitive ces équations. Un tel système est superposé aux éléments analogiques ou numériques classiques de commande existant normalement dans un équipement de traitement. Le système de contrôle des contraintes compare continuellement toutes les valeurs des variables susceptibles d'être des variables de limitation, et sélectionne la variable-clé, c'est-à-dire la plus proche de sa valeur de contrainte. Les mesures prises sont en unités différentes, de sorte que poür comparer les contraintes on utilise la conception de la "sensibilité de contrainte. La sensibilité de contrainte est définie comme étant-le rapport de la variation d'une variable à la variation d'une autre variable prise comme référence pour 'ltop- timisation, par exemple la vitesse d'alimentation, la consommation de vapeur, etc... L'utilisation des sensibilités des contraintes permet de comparer toutes les contraintes sur la même base numérique.Quand la contrainte limite a été identifiée, on peut régler de façon appropriée une variable commandée présélectionnée pour amener la variable de référence à sa valeur de contrainte. Quand le système de calcul a fait son travail et a rendu maximal ou optimal le fonctionnement de ltéquipemenk de trai kemenk dans les conditions instantanées, les opérateurs peuvent in tervenir pour'provoquer des-changements dans le processus opératoire si bien que là contrainte la plus limitative cesse de ltêtre. Après cette intervention, le système de commande détermine la nouvelle variable de eonkrainte la plus limitative et effectue à nou- veau les réglages du fonctionnement pour la variable de référence à la nouvelle valeur maximale ouoptimale. L'utilisation pratique du système} exposée d'une façon générale ci-dessus, apparattra plus particulièrement au eours de la description dlun mode de mise en oeuvre préféré de l'invention. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exea- ple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels ': Fig. 1 est le schéma général dtun système de contrôle des contraintes selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Fig. 2 est le schéma général simplifié montrant le fonctionnement d'un équipement typique de distillation en utilisant un système de contrtle des contraintes selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et Fig. 3 montre graphiquement les résultats typiques obtenus en utilisant le système de contrôle des contraintes selon l'invention pour la commande de ltéquipement de distillation de la figure 2. La figure 1 est le schéma général d'un système typique de contrôle des contraintes. Ce schéma général illustre le procédé de sélection et de commande-selon l'invention. Chacune des variables choisies pour l'observation de l'analyse est traitée par ltéquipement de commande. Deux de ces points sont représentés sur la figure 1} le point 1 et le point n, qui sont des éléments d'une séquence de variable observées.Une valeur limite ou valeur cible a été choisie pour chaque point, cette valeur pouvant être une valeur optimale, mais étant normalement une valeur limite, par exem ple la température maximale admissible dU métal d'un tube oU la position d'ouverture totale (ou de fermeture) dtune vanne de commande. La température maximale admissible du métal illustre ce qui peut être appelé une contrainte "molle", tandis que l'ouverture totale d'une vanne représente une contrainte "dure". La valeur cible pour chaque point est la valeur par rapport à laquelle la mesure réelle est comparée. Cette comparaison est Raite séquentiellement (ou simultanément) pour chaque point et ltécart est déterminé. Pour comparer l'écart de la valeur de cible d'une séquence de points, qui tous seront nécessairement mesurés en unités différentes, par exemple de pression, de température, de chute de pression, de position des vannes et autres, il est nécessaire dtutiliser une unité commune à toutes les variables. Cela peut être obtenu en calculant pour chaque point ce qui est appelé "la sensibilité de contraintett. Cette sensibilité est définie comme étant la valeur de la variation de chaque variable qui résulte dtune unité de variation de la variable commandée qui a été choisie comme référence ou est en corrélation avec celle-ci.Par suite, quand ltécart d'une variable par rapport à sa valeur cible est divisé par la "sensibilité de contrainte, la valeur obtenue est la quantité dont la varia- ble commandée peut être changée sans dépasser la valeur cible de la variable particulière considérée. L'expression t'écart à la co - trainte" est utilisée pour désigner la variation admissible de la variable commandée. Quand l'écart à la contrainte a été calculé pour chacun des points, la série d'écart à la contrainte obtenue permet la comparaison directe. L'écart à la contrainte le plus restrictif détermine la variable de contrainte et habituellement, on choisit la variation la plus petite de la variable commandée. Ainsi queue montre la figure 1 les valeurs des variables choisies, V1 à Vn sont comparées en Al-An à leur valeur de contrainte L1 à Ln et les écarts à la contrainte D1 Dn sont envoyés dans le sélecteur B qui choisit la variable de contrainte et envoie ltécart à la contrainte choisie Ei au dispositif de commande C dans lequel il est comparé au réglage R du dispositiS-de commande, et dtoù les instructions I sont envoyées pour modifier si nécessaire la variable commandée. La différence entre le réglage et la variation désirée est alors déterminée et un signal de commande est envoyé au circuit de commande de la variable commandée. Ce processus est répété constamment pendant les cycles successifs du système de commande des contraintes avec lecture et détermination de ltécart de chaque variable par rapport à sa valeur cible, sélection de la variable la plus voisine de sa cible et établissement de tout chan- gement nécessaire pour la variable commandée.Quand 12 variable de référence a été amenée à sa valeur optimale ou à sa valeur maxi- male par réglage de la variable commandée, cette condition est maintenue åusoutà ce que la limitation ait été enlevée. Le système de contrôle des contraintes maintient l'installation de production à sa contrainte 'limitaWive (à sa valeur eible) jusqu'à ce qu'un changement permette d'effectuer un nouveau réglage. Le processus d t examen des variables et de calcul des écarts par rapport aux valeurs cibles peut continuer pendant une durée quelconque pratiquement sans changement des conditions dans 1'installation de production. C t est å ce point que 1es opérateurs peuvent intervenir sur le système de commande en e > ectuant des réglages supprimant effectivement la limitation pour permettre au système de commande de redevenir aetif et de régler la variable commandée afin que ltéquipement de traitement soit limité par une nouvelle variable. Bien entendus quand certains réglages sont effectués fréquemment par les opérateurs, ces réglages peuvent être incorporés dans le système de commande au lieu d'être basés sur des réglages manuels. La figure 2 est un schéma général simplifié illustrant un fonctionnement typique de distillation, et qui, conåointement avec la figure ), montre le çonctionnement pratique du système de contrôle des contraintes décrit ci-dessus en termes généraux. Comme la description qui suit est limitée principalement au procédé de commande, le schéma a été simplifié pour une représentation plus claire.Une colonne de distillation 10 est alimentée à travers une canalisation ll et forme un produit de tête sortant par une canali- sation 12, deux produits intermédiaitres sortant par des conduits latéraux 13 et 34 et un produit~de fond sortant par une canalisation 15. La matière dralimentation pour la colonne est chauffée dans un four 17. La vapeur du produit de tête de la colonne condensée dans un condenseur 18, est collectée dans le ballon accumulateur 19 et est recyclée en reflux à travers la canalisation 20. Le debit de matière d r alimentations contrôlé par le dispositif de contrôle et d'enregistrement du débit 21 est considéré comme l'indice caractéristique des performances de la-colonne ainsi que de la variable commandée (il sera noté que dans un cas plus complexe la variable commandée peut ne pas être identique à la variable de référence mais seulement avoir une relation indirecte avec cet indice). Le dispositif de commande 21 reçoit une valeur cible qui doit être le maximum permis par les capacités des vannes ou des pompes.La fonction de ce système est derendre maximal le débit d'alimentation vers la colonne de distillation, bien qu'un autre butss par exemple la réduction au minimum de la combustion dans le four ou l'établissement du maximum pour les courants latéraux puisse être utilisé.Une autre variable fondamentale ou clé est la quantité de chaleur envoyée par le four 17 à la colonne, cette chaleur étant calculée d'après le débit de matière d'alimentation dé terminé par le dispositif de contrEle de débit 21 et les tempéra- tures à l'entrée et à la sortie (2D}. La valeur cible correspondan- te peut être établie d'après la capacité du brûleur disponible, mais peut être déterminée d'après les Iimites des températures locales admissibles dans le four. Une autre variable clé qu'Un peut controo- ler est la chute de pression à travers la colonne qui indique le débordement des plateaux en cas de débit excessif. La différence des pressions à travers la colonne est mesurée par I'appareil de mesure 25 et la valeur cible est établie pour empêcher le débordement. La température des produits de tête de la colonne 10 est mesurée par un appareil de mesure et d'enregistrement des températures 27 aui contre le reflux à travers la canalisation 20 vers la partie K est choi supérieure de la colonne. Cette valeur cible du replu: sie pour correspondre de très près à la position de pleine ouverture de la vanne. D ns le système suivant ltexemple considéré, le dé bit des produits de fond est considéré comme une limitation. Ce dé bit est mesuré par un enregistreur de débit 31 et sa valeur est transmise au circuit de contrôle des contraintes 29 pour la comparaison à sa valeur cible. Le dispositif de contrôle des contraintes 29 reçoit une information du four 17, la valeur de la différence des pressions à travers la colonne 10, le débit de reflux vers la colonne et le débit des produits de fond. Ces variables sont explorées- séquentiel lement (ou simultanément), leurs valeurs instantanées sont comparées aux valeurs cibles, l'écart par rapport à la valeur cible est divisé par la nsensibilité à la contrainte" correspondant à chaque variable particulière, la variable de limitation est sélectionnée et un signal est envoyé au dispositif de commande 21 pour aåuster le dé- bit d'alimentation vers la colonne de distillation afin d'amener la variable de limitation à sa valeur cible.Cela peut se traduire par une augmentation ou une réduction du débit d'alimentation ainsi qu'il ressort des résultats d'essais donnés par la figure ). La figure 3 donne des résultats typiques obtenus par simulation par une calculatrice du système de commande des contraintes de la figure 2. Sur cette figure-sont placés de haut en bas les diagrammes relatifs à ltouverture de la vanne de reflux dans la canalisation 20, la chute de pression dans la colonne, le débit de produits de fond, la consommation de calories du four et le taux d'alimentation. Sur chaque diagramme, un pointillé représente la valeur cible. D'une façon générale, la figure 3 illustre le fonc- tionnement d'un système de commande des contraintes dont le but global est de rendre maximal le débit d'alimentation qui est limité par la valeur cible atteinte en premier, c'est-à-direSdans ce cas particulier, le débit des produits de fond. Quand cette cible a été atteinte, un réglage de la densité d'alimentation est effectué pour augmenter le débit de produits de fond parce qutune matière plus lourde existait dans la matiere d'alimentation vers la colonne (point A).De ee fait, le débit de produits de fond a dépassé la valeur cible et le système de commande des contraintes détectant cette combustion effectue les réglages pour les débits d'alimentation pour ramener le débit des produits de fond à sa valeur cible. I1 sera remarqué que les valeurs des autres variables n'ont pas été à leurs valeurs cibles mais ont varié comme conséquence des variations apportées au débit d'alimentation. La figure D montre que dans le système représenté sur la figure 2, le système de commande des contraintes a opéré pour sélectionner la variable la plus voisine de sa valeur ciblera détermine le taux de variation du débit d'alimentation nécessaire pour amener la variable de limitation à sa valeur cible ettquandhn changement a eu Iieu dans le fonctionnements le système a provoqué une action corrective pour le retour de la variable de limitation à sa valeur cible.Le système de commande des contraintes corrige ainsi un renversement du fonctionnement et rend le fonctionnement maximal ouoptimal; Si,au pdht auquel le débit de produits de fond a atteint sa valeur cible,aucun changement nta lieu, le fonctionnement ser poursuivi sans aucun nouveau réglage du débit d'alimentation. Cependant, si les opérateurs décident d'une certaine action pour réduire la valeur du débit de produits de fond, par exemple par augmentation de l'extraction du second courant latéral, un écart par rapport à la valeur cible pourra apparattre en permettant une nouvelle argumentation du débit d'alimentation jusqu'à ce que la valeur cible soit atteinte à nouveau. C'est sous ce rapport qu'il fonctionnement pas à pas du système de commande des contraintes réagissant avec les actions correctives des opérateurs peut être utilisé pour maintenir continuellement la valeur maximale ou optimale à laquelle le système a été réglé. Pour illustrer ltinteraction entre le système de con trEle et les opérateurs, on considére le cas aù le traitement est limité par la position de la vanne de reflux. Si la vanne est lar- gemment ouverte, le système de commande des contraintes ne permet- tra aucune augmentation supplémentaire du débit d'alimentation.Les opérateurs peuvent ouvrir un circuit de by-pass autour de la vanne de reflux ce qui tend à provoquer la fermeture de la vanne et par suite à ltécarter de sa position de limitation. Le système de contrône des contraintes détectera que la position de la vanne de reflux ntest plus la position de limitation et provoquera laugmen- tation du débit d'alimentation jusqu'à ce que la position de la vanne de reflux soit à nouveau la position d'ouverture large, ou qut- une autre variable soit devenue limitative.Cela est un exemple simple qui néglige les autres considérations pratiques pouvant influer sur la détermination de la valeur de reflux pouvant autre utilisée, mais cet exemple illustre les changements qui peuvent être apportés par les opérateurs indépendamment du système de commande des contraintes et permettent au système de contrôle des contraintes de rendre maximal ou optimal le fonctionnement. I1 doit être compris que le système de commande de la distillation représentée est une illustration simplifiée dsun système bien plus complexe habituellement utilisé mzeme pour une colonne simple de distillation. Cependant, les principes de fonctionne- ment seront les mêmes.I1 est à noter que dans un système simple tel que celui décrit, les opérateurs pourraient provoquer les mAemes-chan- gements par une surveillance constante et un réglage continu du débit d'alimentation pour obtenir les résultats désirés.Cependant, quand le système est développé åusqu'à une situation plus normale, pour laquelle de nombreuses variables doivent betre simultanément prises en considéraWion, il devient pratiquement impossible de provoquer ces actions, car une main-d'oeuvre de commande suffisante ntest pas disponible pour utiliser une telle technique. Le système décrit ci-dessus, qui est simple et ntest pas basé sur des investigations poussées des caractéristiques de ionctionnement de ltéqui- pementss peut arbre utilisé pour des équipements très divers pour rendre leur lonctionnement optimal ou maximal. Bien entendu la description gui précède ntest pas limitative, et ltinvention peut être mise en oeuvre suivant dtautres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS .Procédé de contrôle automatique du fonctionnement d'un processus industriel compor > -ant un certain nombre de-boucles à réaction, caractérisé en ce qu'il mesure la valeur instantannée d'un certain nombre de variables choisies à l'avance, qu'on détermine pour chacune sont écart à une valeur cible ou contrainte fixée à l'avance, qu'on choisit comme variable de limitation parmi ces variables celle dont l'écart à la contrainte exige pour être réduit le changement le plus crible de la variable commandée, choisie, et au'on fait varier cette variable commandée jusqu'à ce que ltécart à la contrainte de la variable de limite soit annulé. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lton établit pour chacune des variables choisies la valeur de la sensibiliXé à la contrainte définies comme la variation de la valeur de la variable considérée oui correspond à une variat-ion unité de la valeur de la variable commandée ou d'une variable en corrélation avec cette dernières qu'on divise la valeur et l'écart à la contrainte de chaque varice par la valeur de sa sensibilité la contrainte, et qu'on choisit la variable de limitation par comparaison des résultats de cette derniere. ). Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ee que 1 t on détermine la différence entre ltécart à la contrainte le plus faible et le point zéro, on régle la variable commandée au moyen d'une boucle et commande à réaction associée, et on répète ltopération jusqu'à ce que ltécart à la contrainte le plus faible soit annulé. 4. Procédé selon la revendication D caractérisé en ce que lton choisit pour la variation de la variable commandée, La valeur numérique la plus faible.