Brevet FR2426934A1 — publié le 19791221

La présente invention concerna un procédé et un dispositif d'élaboration d'un mélange de produits. Elle s'applique plus particuriàrement a la regulation automatique des mélanges de produits en ligne, tels par exemple, des mélanges de produits pétroliers, dans lesquels les mélanges élabores sont conformes à un ensemble de spécifica- tions ou paramètres significatifs. Dans ces applications, chaque produit contenu dans le mélange agit sur l'ensemble des caractéristiques ou des paramètres du mélange final obtenu , cette invention s'applique en outre à l'élaboration de mélanges dans lesquels les caractéristiques ou les paramètres des différents produits sont mal connus ou peuvent évoluer pendant l'élaboration du mélange.Les mélanges de produits pétroliers en particulier, présentent ces aspects, mais il est bien évident que le procédé et le dispositif de l'invention peuvent s'appliquer à des mélanges de produits tels que les ciments, les peintures, etc... Dans tous les cas, il s'agit d'obtenir un mélange ayant un état ou présentant des paramètres de constitution, définis à l'avance. Ces paramètres concernent les caracteris- tiques physico-chimiques des mélanges à obtenir. Pour un mélange Je produits pétroliers, par exemple, ces paramètres pourront être la teneur en soufre du mélange , son indice d'octane etc... Pour un mélange de ciments, les paramètres seront, par exemple, la teneur en chaux, le module silicique, le module alumino-ferrique, etc... Les procédés et dispositifs connus dans l'état de la technique permettent d'élaborer le mélange grâce à 'utilisation d'une channe ouverte, dans laquelle on fixe les proportions des différents produits constituant le mélange, de manière que ces proportions soient appliquées en permanence à chacun des doseurs situés en amont de la voie principale reliée au hac de réception du mélange final. Dans la préparation du ciment par exemple, les différents paramètres sont fixés une fois pour toutes pour un type de ciment donné. Les pourcentages des différents produits sont appli- qués aux différents doseurs, après multiplication par le débit total de référence, chaque doseur présentant son propre régulateur de débit.Généralement, les procédés et dispositifs d'élaboration d'un mélange dont la commande est réalisée en chaîne ouverte, sont insuffisants pour permettre l'élaboration d'un mélange conforme à des paramètres de référence En effet, la composition de chacun des produits du mélange n'est souvent connue qu'en moyenne et souvenir on ne possède que peu d'in formations sur les fluctuations que peuvent subir ces produits au cours du temps. il en résulte que les procédés et dispositifs connus et qui permettent l'élaboration de mélanges de produits, sont fondés sur le principe d'une grande stabilité des produits à mélanger, de manière que pour obtenir un mélange conforme à des paramètre de référence, il n'y ait pas à tenir compte des fluctuations de composition de ces différents produits.Généralement, dans les procédés et dispositifs connus, on opère des arrêts à certaines époques de l'élaboration des mélanges pour-analyser périodiquement le mélange final obtenu. A la suite de cette analyse, des signaux de correction sont appliqués aux doseurs de différents produits pour corriger les débits de ces produits, afin que le mélange contenu à la suite de cette analyse présente des paramètres conformes aux paramètres de référence. Cette interruption périodique du dispositif d'élaboration du mélange est un grave inconvénient puisqu'elle nécessite une perte de temps considerable, durant laquelle l'élaboration du mélange est interrompue Avec un tel dispositif, si l'on désire que le mélange soit conforme aux paramètres de référence que l'on s'est fixé, il est nécessaire d'interrompre fréquemment le dispositif. quand de plus les produits qui servent à constituer le melange ne sont pas stables au cours du temps, il est encore plus difficile d'obtenir le mélange désiré. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de mettre au point un procédé et de réaliser un dispositif permettant une régulation automati- que des mélanges de produits en ligne garantissant la conformité du mélange fahriqué yis- svis d'un ensemble de paramètres, tout en assurant un comportement raisonnable des éléments qui permettent de commander les débits des différents produits ; ce but est atteint grace à des signaux de correction appliqués à ces éléments. dans des limites raisonnables, L'invention a aussi pour but d'assurer l'élaboration d'un mélange conforme à un ensemble de paramètres prédéterminés, même lorsque les différents produits du mélange présentent des caractères évolutifs. Enfin, un autre hut de l'invention est de réaliser des corrections sur les débits des différents produits sans qu'il soit nécessaire de procéder à des interruptions pour effectuer des analyses intermédiaires, L'invention vise également la mise au point d'un procédé et la réalisation d'un dispositif permettant une conduite automatique des mélanges, par utilisation d'informations provenant d'analyseurs situés en aval du point de mélange. La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un mélange de produits, caractérisé en ce qu'il consiste a) à déterminer les valeurs de paramètres de référence que doit présenter le mélange en fin d'élaboration, ainsi que les valeurs de débits de référence des produits à mélanger, de sorte que les paramètres du mélange obtenus présentent des valeurs sensiblement égales aux valeurs des paramètres de référence b) à mesurer les valeurs des paramètres du mélange de manière répétitive, au cours de l'élaboration du mélange c) à cumuler successivement les valeurs de chacun de ces para métrais, après chaque mesure, et à obtenir la valeur moyenne de chaque paramètre après cumul d) à obtenir, après chaque cumul, les différences respectives entre les valeurs moyennes des paramètres et les valeurs des paramètres de référence s e) à rechercher, après chaque cumul, la ou les valeurs des corrections à apporter aux débits des produits à mélanger, de manière à minimiser la combinaison des écarts entre, d'une part les valeurs des paramètres du mélange en cours d'élaboration et les valeurs des paramètres de référence correspondants et, d'autre part, entre les débits des pro duits à mélanger et les débits de référence correspondants. Selon nne autre caractéristique du procédé, la combinaison des écarts est une somme pondérée des carrés des différents écarts pendant toute la durée d'élaboration du mélange. Selon une autre caractéristique particulière du procédé, si k désigne le nombre de paramètres mesurés et n le nombre de produits à mélanger, ces nombres obéissent à la relation n a p + 1. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'élaboration d'un mélange de produits comprenant des voies de transport des produits à mélanger vers une voie principale reliée à l'emplacement de réception du mélange et des moyens pour commander les débits des produits sur chaque voie de transport, caractérisé en ce qulil comprend en outre - des moyens pour mesurer de manière répétitive sur la voie principale, des paramètres représentatifs du mélange en cours d'élaboration j - des moyens pour cumuler successivement chacun de ces para mètres, après chaque mesure, et pour obtenir la valeur moyenne de chaque paramètre, après cumul - des moyens pour soustraire aux valeurs moyennes des para mètres après chaque cumul, des valeurs de paramètres de référence prédéterminés, représentatifs du mélange à obte- nir - des moyens pour corriger les débits des produits à mélanger, ces moyens de correction étant constitués de manière à appliquer aux moyens de commande de débits, des signaux de correction résultant de la minimisation de la combinaison des écarts entre, d'une part les valeurs des paramètres du mélange en cours d'élaboration et les valeurs des paramètres de référence correspondants et, d'autre part, entre les débits des produits à mélanger et des débits de référence prédétermines. Selon une caractéristique particulière, les moyens de mesure sont des analyseurs disposés an ligne sur la yoie principale, entre les voies de transport des produits et l'empla- cement de réception du mélange Enfin, selon une autre caractéristique du dispositif, si k désigne le nombre d'analyseurs et n le nombre de produits à mélanger, la relation n > p t I doit & re vérifiée entre ces deux nombres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence à la figure annexée, représentant de manière schematique un dispositif d'élaboration d'un mélange de produits, conforme à l'invention En référence à la figure, on a représente un dispositif d'élaboration d'un mélange de produits, conforte à l'invention. Ces produits sont contenus dans des bacs 1, 2, 3 dont le nombre a été limité à trois pour des commodités de représentation. Les produits à mélanger parcourent des voies de transport 4, 5, 6 vers une voie principale 7, reliée à l'emplacement de réception e du mélange. Cet emplacement de réception est représenté sur la figure sous forme d'un bac. Ainsi, il est possible de con sidérer que le mélange est effectivement réalisé à partir du point d'élaboration 9. Des moyens, représentés en 10 et Il sur la figure, permettent de commander les débits des produits sur chaque voie de transport.Ces moyens peuvent etre par exemple, constitués par un régulateur de débit 10 commandant une vanne il. Il est bien évident que le nombre de produits à mélanger, qui a été limité à trois pour des commodités de représentation > peut varier et notamment être supérieur à trois. Des moyens 12 permettent de mesurer de manière répétitive, sur la voie principale, les paramètres représentatifs du mélange en cours d'élaboration. Ces moyens 12 peuvent être constitués, par exemple, par des analyseurs en ligne représentés par le bloc unique 12 sur la figure ces cas analyseurs, dans le cas de mélange de produits pétroliers, peuvent permettre de mesurer la teneur en soufre du mélange, l'indice d'octane, etc...Le dispositif comprend également des moyens 13 qui permettent de cumuler successivement chacun de ces paramètres, après chaque mesure, et d'obtenir la valeur moyenne de chaque paramètre après cumul. Ces moyens qui n'ont pas été représentés en détail sur la figure peuvent être constitués par exemple par des intégrateurs et des circuits additionneurs. Des moyens 17 permettent de soustraire les valeurs moyennes des paramètres obtenus après cumul, en sortie des moyens 13 et les valeurs de certains paramètres de référence prédéterminés, représentatifs du mélange à obtenir Des si gnaux séquentiels de commande sont appliqués aux moyens de soustraction 17, par le calculateur 14. Ce calculateur est relié à une mémoire 15 ainsi qu > à un disposItif de visualisation 16, constitué par exemple par une imprimante, Tous les paramètres de référence sont introduits dans la mémoire 15 du calculateur 14, à l'initialisation du dispositif. Ils dépendent bien entendu des caractéristiques du mélange à obtenir. Ces paramètres de référence concernent, d'une part, les débits de référence des différents produits à mélanger et, d'autre part, des caractéristique5 du mélange à obtenir à partir des différents produits. Enfin, le dispositif comprend des moyens pour corriger les débits des produits à mélanger, par action sur les moyens de commande de déb-it constitués par les régulateurs 10 et les vannes 11 ;; cette action consiste à appliquer aux régulateurs 10 > des signaux de correction qui résultent de la minimisation de la combinaison des écarts entre d'une part, les valeurs des paramètres du mélange en cours d'élaboration et les valeurs des paramètres de référence correspondants, et d'autre part, entre les débits des produits à mélanger et les débits de référence prédéterminés. Ces moyens de correction comprennent un multiplicateur et un diviseur représentés schématiquement par le bloc 18.Ils comprennent aussi le calculateur 14 qui commande séquentiellement ce multiplicateur et ce diviseur, et un additionneur 19 qui reçoit sur une entrée 20 les valeurs de débits de-référence, et sur une entrée 21, les valeurs des écarts entre les débits durant l'élaboration et les débits de référence. Le calculateur 14 commande séquentiellement les différents moyens du dispositif selon une période T de bouclage de la commanda. Le multiplicateur contenu dans le bloc 18 permet de multiplier les différences entre les valeurs moyennes de paramètres après cumul et les valeurs de paramètres de référence obtenues en sortie 22 du soustracteur 17, par le volume V déjà écoulé dans le bac 8 , le diviseur contenu dans le bloc 18 permet ensuite de diviser chacun des xesultats de ces Xultiplicaticns par la période T de bouclage de la command.En sortie 23 du multiplicateur et du diviseur 18, est ohtenu un ensemble de signaux numériques x qualifié de vecteur d'état, Ce vecteur d'état est multipliés gracie au calculateur 14 par une matrice L ; ce qui fournit m vecteur de commande U, dcnt les composantes sont les écarts entre les débits de référence et les débits à imposer. Cette commande est qualifiée de commande par retour d'état. La matrice L est appelée matrice de houclage. Elle est inchangée durant l'élaboration du mélange et elle est obtenue avant l'initialisation du dispositif. à partir des paramètres du mélange à obtenir. Cette matrice L est obtenue hors ligne. c'est-à-dire avant la mise en oeuvre du dispositif, préalablement à son initialisation. Cette obtention nécessite la connaissance du nombre de produits à mélanger et du nombre d'analyseurs présents dans le dispositif. Ces deux nombres conditionnent le dimensionnement de la matrice. Cette matrice dépend également des caractéristiques ou des paramètres des produits à mélanger. et des valeurs de coefficients de pondération. Ces coefficients de pondération sont les éléments de deux matrices carrées Q et R, de dimensions respectives p x p et n x n. n désignant le nombre des produits à mélanger et p le nombre des analyseurs compris dans le dispositif, La matrice L est telle que la commande qu'elle implique minimise Ie critère quadratique exprimé par la relation suivante Dans cette relation N est le nombre total de périodes de bouclage pendant la durée du mélange. A chaque instant, la commande générée par le dispositif correspond à celle qui permet d'achever le mélange dans les meilleures conditions. Selon la valeur donnée aux coefficients de pondération Q et R > le critère quadratique J peut permettre d'obtenir des écarts sur les paramètres, plus importants que les écarts sur les débits ou réciproquement. Comme il s'agit d'obtenir un mélange commercialisable, dont la composition est aussi proche que possihle de la composition traduite par les paramètres de référence du mélange, la plus grande importance est accordée aux écarts portant sur les paramètres.Les matrices de pondération Q et R sont réduites à leurs éléments diagonaux les éléments de ces matrices peuvent avoir des valeurs relais tives différentes afin, par exemple, de donner la même importance aux écarts sur les paramètres coefficients de pondération exprimés par la matrice Q3 et aux écarts sur les débits (coefficients de pondération exprimés par la matrice R). L'obtention de la matrice L qui permet de minimiser le critère quadratique J permet au calculateltr de commander le débit des différents- produits de manière que le mélange éla horé ait des caractéristiques ou des paramètres aussi proches que possible des parametres de référence et que les valeurs des débits imposés à la suite de toute correction s'éloignent aussi peu que possible des valeurs des débits de référence, La commande réalisée par le calculateur, à partir de la matrice L obtenue par minimisation du critère quadratique J tient compte des impératifs cités ci-dessus.L'importance respective des coefficients de pondération est établie avant la mise en oeuvre du dispositif.Ainsi, le calculateur 14, associé à la mémoire 15, dans laquelle sont enregistrées les différentes matrices, permet la minimisation du critère quadratique Je D'une manière générale, on peut considérer que le vecteur de commande U, dont les composantes représentent les écarts entre les débits à imposer et les débits de réfe- rence, peut être exprimé par la relation U = AQ = -L x X. Pour que le dispositif fonctionne correctement, il est nécessaire que si le mélange à réaliser comprend n produits et que le dispositif présente p analyseurs, que soit satisfaite la relation n > p + 1. De cette façon, le nombre de degrés de liberté est suffisant pour commander le système. On entend par degré de liberté la différence entre n et e. Ainsi, grâce au dispositif qui vient d'être décrit, l,élaboration du mélange est obtenue par une commande des différentes vannes des voies de transport des produits, qui peut être qualifiée de multivariablet Le critère quadratique permet de réaliser un compromis entre la conformité du mélange obtenu et une limitation de l'amplitude des corrections des débits, Le choix des termes des matrices O et R représentant les coefficients de pondéras tion, est important pour aboutir a ce compromis, Le dispositif permet de suivre l'évolution des paramètres du mélange contenu dans le bac-de réception 8, en fonction du mélange de produits analysé en amont de ce bac, On obtient ainsi, pendant toute la durée d'élaboration du mélange et en amont du bac de réception une modélisation du mélange contenu dans ce bac, Sur la figure on a référencé par Ca, C2 et Q d'une part les paramètres mesurés par les analyseurs et, d'autre part le débit du produit mélangé parcourant la voie principale 7. On suppose bien entendu que la mesure de ce débit est réalisée par un moyen approprié, soit à l'entrée, soit à la sortie des analyseurs ; ce moyen n'est pas représenté sur la figure.De la même manière, on a référencé CB1, ...... les valeurs moyennes des paramètres cumulés à la sortie des moyens 13. ETCS1, ECB2.... désignent les différences entre les valeurs moyennes des paramètres cumulés et les valeurs CC1, CC2 des paramètres de référence correspondants, parvenant au soustracteur 17. Ces différences sont introduites dans les moyens 18 ou elles sont multipliées par le volume écoulé V et divisées par la période de bouclage T. A la sortie de ces moyens 18, est obtenu un vecteur d'état [x1, x2...], ECBi x V tel que xi T .Le calculateur, dont la mémoire con T tuent la matrice L obtenue à partir des coefficients de pondération Oii Ri;s permet de calculer le vecteur de commande U = -L x, de sorte que U = AQ . Le terme EQ est un vecteur dont les composantes sont les écarts Q1, EQ2. entre les débits des différents produits et les débits de référence correspondants. Ces signaux d'écart sont appliqués à l'additionneur 19, qui reçoit en outre sur son entrée 20 les valeurs Q1R' Q2R,... des débits de référence, La sortie 22 de cet additionneur délivre aux régulateurs 10 des signaux de consigne Q1' Q2'" de débit, Ces signaux de consigne appliqués aux régulateurs 1n permettent d'actionner les vannes il. L'invention permet bien d'atteindre les buts mentionnés plus haut : l'élaboration d'un mélange de produits, sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le dispositif pour procéder au regla ga des débits des différentes Vannes à la suite de l'analyse périodique du mélange contenu dans le bac de réception, il est bien évident que dans le dispositif et le procédé qui viennent d'entre décrits, les moyens utilisés peuvent être remplacés par des moyens équivalents, sans sortir dù cadre de l'invention. REVENDICATIONS l. Dispositif d'elaboration d'un mélange de produits, comprenant des voies de transport des produits à mélanger vers une voie principale reliée à l'emplacement de réception du mélange et des moyens pour commander les débits des produits sur chaque voie de transport, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens pour mesurer de manière répétitive sur la voie principale, des paramètres représentatifs du mélange en cours d'élaboration ; - des moyens pour cumuler successivement chacun de ces paramètres, après chaque mesure, et pour obtenir la valeur moyenne de chaque paramètre, après cumul ;; - des moyens pour soustraire aux valeurs moyennes des paramètres après chaque cumul, des valeurs de paramètres de référence prédéterminés, représentatifs du mélange à obtenir - des moyens pour corriger les débits des produits à mélanger, ces moyens de correction étant constitués de manière à appliquer aux moyens de commande de débits, des signaux de correction résultant de la minimisation de la combinaison des écarts entre, d'une part, les valeurs des paramètres du mélange en cours d'élaboration et les valeurs des paramètres de référence correspondants et, d'autre part, entre les débits des produits à mélanger et des débits de référence prédéterminés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont des analyseurs disposés en ligne sur la voie principale, entre les voies de transport des produits et l'emplacement de réception du mélange. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que si 2 désigne le nombre d'analyseurs et n le nombre de produits à mélanger, la relation n > p + l doit être vérifiée entre ces deux nombres.