Brevet FR2856827A1 — publié le 20041231

La présente invention concerne un système de contrôle et de commande d'installations présentant des risques liés à l'inflammabilité de gaz mis en oeuvre sur leurs sites et notamment d'installations de production de gaz de synthèse ainsi que de production d'hydrogène et/ou de monoxyde de carbone à partir de gaz de synthèse, lesdites installations comprenant au moins une unité de génération de gaz de synthèse et une unité de traitement du gaz de synthèse, chaque unité comprenant une ou plusieurs entités. Les installations mettant en u̇vre des gaz inflammables présentent des risques d'incendie et/ ou d'explosion et sont donc à ce titre soumises à des réglementations spécifiques. On distingue sur le site de ces installations les zones dangereuses, où sont en particulier mis en u̇vre des gaz inflammables et les zones non dangereuses. Les règles de sécurité à appliquer dans chacune de ces zones sont différentes. En particulier, tous les matériels doivent être homologués pour pouvoir être utilisés en zone dangereuse. Aujourd'hui, l'acquisition des données relatives aux différents systèmes mis en u̇vre sur le site d'installations de ce type, implique l'ensemble des éléments suivants : - pour chacune des entités procédés composant l'installation, des données sont récupérées au moyen d'instruments situés sur le site de l'entité ; ces instruments sont des capteurs de mesures effectuées sur le site, mais aussi des actionneurs agissant en fonction d'ordres reçus. - les instruments sont raccordés, par des câbles blindés de type paire, tierce ou quarte, à une boîte de jonction elle même située sur le site. - les boîtes de jonction sont reliées, via des multicâbles de type multipaires ou multitierces, à des panneaux répartiteurs ("marshalling panels" en langue anglaise) - les panneaux répartiteurs sont généralement regroupés dans un local technique.Ils comportent deux parties, une première partie qui est la partie située côté site, elle est aussi appelée image du site , la seconde partie est la partie située côté salle de contrôle et est reliée aux organes de contrôle, elle est aussi appelée image du système de contrôle. Inclus dans le panneau répartiteur, un système de câblage croisé permet de relier les informations de la partie image du site à la partie image du système de contrôle.Ces panneaux répartiteurs brassent les informations - permettant ainsi, d'éviter les erreurs ou de les réparer rapidement -, ils délimitent la fourniture d'électricité par rapport à l'instrumentation, ils permettent enfin de gagner du temps lors des câblages, puisque les parties côté site et côté système de contrôle peuvent être traitées indépendamment. - une barrière de sécurité intrinsèque, dont le rôle est de limiter l'énergie dans une boucle - supprimant ainsi le risque d'étincelle - est insérée dans chaque boucle d'instrumentation; elle est localisée en salle technique, dans le panneau répartiteur ou dans une armoire associée. On appelle boucle l'ensemble des matériels destinés à acheminer l'information; cela inclut l'acquisition, le traitement, l'ordre et l'action. Cependant, un tel système d'acquisition/ traitement de(s) données destinées au contrôle et à la commande d'installations à risque présente des inconvénients. Ceux-ci sont liés notamment : - à la nécessité de réaliser préalablement à l'implantation des nombreux matériels (câbles, boîtes de jonction, panneaux répartiteurs...) des études complexes et longues.Ces études sont nécessaires non seulement lors de la conception de la première installation, mais aussi dès lors que l'on envisage de faire évoluer l'installation ; - à la complexité de l'implantation en elle-même (nombreux câbles et support de câbles sur site, encombrement des salles techniques par de multiples panneaux répartiteurs et armoires associées), qui engendre des difficultés de mise en u̇vre de l'installation ; - au manque de fiabilité de l'installation en fonctionnement qui en résulte (dû à l'existence des nombreux points de connexion notamment). La présente invention concerne donc un système de contrôle et de commande d'installations présentant des risques liés à l'inflammabilité de gaz mis en u̇vre sur le site, et notamment d'installations de production de gaz de synthèse, ou de production d'hydrogène et/ou de monoxyde de carbone, présentant une plus grande simplicité de conception et de mise en u̇vre ainsi qu'une plus grande fiabilité de fonctionnement, le tout à moindre coût. Le système de l'invention maintient sur site, en zone dangereuse une partie importante de la boucle associée aux organes de contrôle et à l'acquisition de données.Cela permet à la fois d'améliorer la reproductibilité par la standardisation et de faire évoluer le système de contrôle dans le temps en permettant la modification ou l'extension de sites, et ceci grâce à une grande facilité d'ajout ou de remplacement des entités sur le site. C'est pourquoi l'invention a pour objet un système de contrôle et/ou de commande d'une installation présentant des risques liés à l'inflammabilité de gaz mis en oeuvre sur le site comprenant une ou plusieurs unités, chaque unité comprenant une ou plusieurs entités, caractérisé en ce qu'il comprend, à proximité d'au moins une entité située en zone dangereuse ou intégrés à ladite entité :- des moyens (b) (a1) aptes à capter et/ou à mesurer des paramètres physico-chimiques associés à ladite entité, et/ou des moyens (a2) apte à actionner l'un ou l'autre des éléments de fonctionnement de ladite entité. - au moins un moyen (c) situé en zone dangereuse, dédié à ladite entité apte à assurer le regroupement des données issues de (a1) et/ou de (a2) apte à assurer leur transformation en un signal numérique, - des moyens (b) aptes à transporter les signaux entre les moyens (a1) et/ou (a2) et le moyen (c), - au moins un moyen (e) situé en zone non dangereuse dans un local technique apte à traiter les signaux numériques issus du ou des moyens (c) et à envoyer des signaux de commande vers le ou les moyens (c), - au moins un moyen (d) de transport de signaux numériques entre les moyens (c) et le moyen (e). On désigne par zone dangereuse en particulier les lieux de l'installation sur lesquels existe un risque non nul d'explosion dû à la présence de gaz inflammables. Les règles de sécurité appliquées dans chacune de ces zones ont notamment pour but d'éviter les étincelles. En particulier, tous les matériels doivent être homologués pour pouvoir être utilisés en zone dangereuse. Par au moins un moyen (c), on entend un ou plusieurs moyens (c) étant entendu que quand il y a plusieurs moyens (c) associés à une seule entité, ils sont tous situés en zone dangereuse. Le nombre de moyens (c) par entité dépend en général du nombre de moyens (a1) et (a2) associés à ladite entité. Dans le cadre de la présente invention, tout moyen (c) est associé à une entité et une seule. Par au moins un moyen (e), on entend un ou plusieurs moyens (e) étant entendu que quand il y a plusieurs moyens (e) ils sont de préférence situés dans un même local technique. Dans le cadre de la présente invention, un moyen (e) peut être relié à un ou plusieurs moyens (c). Soit les dits moyens (c) sont associés à une seule et même entité, soit tous ou certains d'entre eux sont associés à différentes entités. Le système tel que défini si-dessus peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques particulières suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. - Au moins un moyen (f) apte à transporter des signaux issus du local technique vers une salle de contrôle apte à superviser l'ensemble de l'installation. - Tout ou partie des moyens de sécurité assurant la fonction de sécurité intrinsèque relative à ladite entité mettant en u̇vre au moins un gaz inflammable, sont intégrés audit moyen (c) assurant le regroupement des données. Par sécurité intrinsèque, on entend une protection qui limite l'énergie électrique dans la boucle d'instrumentation de manière à éviter la création d'une étincelle susceptible d'enflammer un gaz inflammable présent dans l'atmosphère. Le système est redondant pour au moins des signaux présents au niveau des moyens (c), (d),( e) et éventuellement (f). La sécurité et la fiabilité de l'ensemble de l'installation sont accrues par la redondance de certains organes. Par redondance, on entend la duplication volontaire d'informations - afin de garantir leur sécurité en cas d'incidents - , et /ou d'équipements chargés d'assurer une fonction donnée - afin que l'un d'eux puisse se substituer à l'autre en cas de défaillance - . Cette redondance est rendue possible grâce à la simplification des moyens mis en u̇vre; elle accroît ainsi considérablement la sécurité et la fiabilité de l'ensemble de l'installation. Préférentiellement, l'installation selon l'invention est une installation de production de gaz de synthèse comprenant au moins une unité de génération d'un gaz de synthèse et au moins une unité de traitement dudit gaz de synthèse, chaque unité comprenant elle-même plusieurs entités. La figure 1a représente les installations selon l'état de la technique. Les instruments 1 (capteurs ou actionneurs) présents sur le site référencé A de l'entité considérée, en zone dangereuse, sont raccordés via les câbles 2 aux boîtes de jonction 3. Les boîtes de jonction 3 sont raccordées via des multicâbles 4 aux barrières de sécurité 5 situées dans le local technique référencé B, en zone non dangereuse, puis les signaux sont amenés via les câbles 6 à l'entrée du panneau répartiteur 7 pour être transmis via le brassage par câblage croisé des multicâbles 8 aux cartes entrées/sorties côté contrôle 9. Le signal sortant est traité dans l'unité centrale du système de contrôle (control process unit en langue anglaise ou CPU) 10, situé dans le local technique B, en zone non dangereuse.Des ordres pour le suivi et les commandes sont lancés à partir d'un terminal 11 situé en salle de contrôle, référencé C, en zone non dangereuse sur la figure. Comme on le voit sur la figure 1a, une part importante des éléments constitutifs est centralisée dans un local technique situé en zone non dangereuse, et un câblage important est requis pour le transport des différents signaux; le local technique est ainsi encombré. Par la suite, une extension ou un remodelage ( revamping en langue anglaise) de l'installation nécessitera la construction d'une nouvelle salle technique, ce qui sera parfois impossible par manque de place. La figure 1 b représente un système selon l'invention. Les instruments 1 présents sur le site A de l'entité considérée, en zone dangereuse, sont raccordés via les câbles 2 à un panneau 12 lui-même situé sur le site A qui assure le regroupement des informations, et leur transformation en un signal numérique sortant transmis via un bus de communication 13 vers l'unité centrale du système de contrôle 10, située dans le local technique B, en zone non dangereuse. Des ordres pour le suivi et les commandes sont lancés à partir d'un terminal 11 situé en salle de contrôle, référencée C sur la figure, située en zone non dangereuse. Comme on le voit sur la figure 1b, l'ensemble du système d'acquisition et de traitement de données, y compris de transformation du signal est déporté sur le site, et non centralisé dans le local technique B. Sur la figure 2 est représenté un schéma de principe présentant l'architecture d'un système de contrôle et de commande d'une installation de production d'hydrogène et/ou de monoxyde de carbone (dénommée HYCO) selon l'invention. L'installation comporte : - une unité 101 de génération de gaz de synthèse, une unité 201 de production d'hydrogène, - une unité 301 de production de monoxyde de carbone ... , chacune de ces unités étant elle-même composée d'entités parmi lesquelles on trouvera notamment, mais pas seulement : pour l'unité 101 : - un réformeur de méthane à la vapeur ( steam methane reformer en langue anglaise ou SMR) 102, - un compresseur recycle (recycle compressor) 103, - ainsi qu'un préreformeur, des pompes, une épuration de CO2 (ou C02 removal unit)... , pour l'unité 201 : un compresseur hydrogène 202, - un adsorbeur à pression modulée (pressure swing adsorption ou PSA) 203, ainsi qu'un système de distribution de l'hydrogène pour l'unité 301 : - une épuration en eau et CO2 302, - une boîte froide 303, - ainsi qu'une membrane d'épuration, une pompe méthane, une turbine Des instruments de mesure et actionneurs 211 nécessaires au fonctionnement de l'entité sont listés ici de façon non exhaustive, il s'agit notamment de : capteurs de température, de transmetteurs de pression et pression différentielle, de vannes de contrôle , de vannes d'isolation ou de sectionnement, de contacts divers, de détecteurs de position de vannes, de pressiostats ... Leur fonction est de réaliser les actions commandées à partir de la salle de contrôle ou de réaliser des mesures destinées au contrôle du fonctionnement de l'entité. Les données issues de, ou à destination des instruments 211 sont transportées par des câbles blindés 212 de type paire ou tierce jusqu'aux cartes entrées/sorties 213 du panneau local 214, situé sur le site A de l'entité 203 situé en zone dangereuse. Elles y sont transformées en signaux numériques délivrés par des cartes de communication. Afin d'améliorer la sécurité du système, le panneau 214 délivre un signal redondant. La redondance est obtenue par le doublement des cartes de communication, soit 215 et 216, elle est aussi mise en évidence sur la figure par le doublement du trait représentant le câble 217 joignant - via les cartes de communication 218 (et 219 pour la redondance)- le panneau 214 au système de contrôle 220 situé dans le local technique B en zone non dangereuse. Le signal y est traité dans l'unité centrale du système de contrôle (control process unit en langue anglaise ou CPU). Le signal peut être transporté, via un bus de communication 221 vers un terminal 222 destiné à la supervision et à la commande, situé dans la salle de contrôle C.Réciproquement, un signal de commande émis à partir de la salle de commande C peut circuler vers l'entité située en zone dangereuse via le système de la présente invention. La fonction sécurité intrinsèque est assurée pour chaque boucle par la carte entrée-sortie qui lui est associée au niveau du panneau local dans laquelle la fonction sécurité est intégrée. Le système tel que décrit ci-dessus pour l'entité 203, est répété pour les autres entités installées. Les entités référencées ci-dessus peuvent ne pas toutes exister simultanément sur certaines installations. Par ailleurs, des entités autres que celles listées si dessus composent ou peuvent composer certaines unités syngas et HYCO. Le système de l'invention peut inclure aussi des automates programmables dans la mesure où ils sont homologués pour zone dangereuse. Comme on aura compris de ce qui précède, la mise en u̇vre du système de l'invention présente de nombreux avantages, et notamment les avantages suivants : - moins d'équipement dans le local technique, ce qui permet de diminuer sa surface dans les nouvelles installations, et/ou permet des remodelages d'installations anciennes comprenant des extensions ; moins de câblages et de matériel, ceci implique moins d'études complexes et coûteuses, moins de défaillances au niveau des connexions, moins de main d' u̇vre ; - plus de standardisation et plus de facilité pour des échanges standard entité par entité en cas de défaillance ; des interventions limitées au site de l'entité concernée ; - des possibilités d'extension d'installation et de remodelage simplifiées.Selon un deuxième aspect de l'invention, celle-ci concerne une installation de production de gaz de synthèse comprenant au moins une unité de génération d'un gaz de synthèse et au moins une unité de traitement dudit gaz de synthèse, chaque unité comprenant elle-même plusieurs entités, caractérisée en ce qu'elle comprend un système tel que défini précédemment. Selon un troisième aspect de l'invention, celle-ci concerne un procédé de contrôle et commande d'une installation présentant des risques liés à l'inflammabilité des gaz, caractérisé en ce qu' il est mis en u̇vre au moyen d'un système tel que défini précédemment. Revendications 1. Système de contrôle et/ou de commande d'une installation présentant des risques liés à l'inflammabilité de gaz mis en u̇vre sur le site comprenant une ou plusieurs unités, chaque unité comprenant une ou plusieurs entités, caractérisé en ce qu'il comprend, à proximité d'au moins une entité située en zone dangereuse ou intégrés à ladite entité : des moyens (a1) aptes à capter et/ou à mesurer des paramètres physicochimiques associés à ladite entité, et/ou des moyens (a2) apte à actionner l'un ou l'autre des éléments de fonctionnement de ladite entité ; - au moins un moyen (c) situé en zone dangereuse, dédié à ladite entité apte à assurer le regroupement des données issues de (a1) et/ou de (a2) apte à assurer leur transformation en un signal numérique ; - des moyens (b) aptes à transporter les signaux entre les moyens (a1) et/ou (a2) et le moyen (c) ; - au moins un moyen (e) situé en zone non dangereuse dans un local technique apte à traiter les signaux numériques issus du ou des moyens (c) et à envoyer des signaux de commande vers le ou les moyens (c) ; - au moins un moyen (d) de transport de signaux numériques entre les moyens (c) et le moyen (e). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il met en oeuvre au moins un moyen (f) apte à transporter des signaux issus du local technique vers une salle de contrôle apte à superviser l'ensemble de l'installation. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que tout ou partie des moyens de sécurité assurant la fonction de sécurité intrinsèque relative à ladite entité mettant en u̇vre au moins un gaz inflammable sont intégrés audit moyen (c) assurant le regroupement des données. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le système est redondant pour au moins une partie des signaux présents au niveau des moyens (c), (d), (e) et éventuellement (f). 5. Installation de production de gaz de synthèse comprenant au moins une unité de génération d'un gaz de synthèse et au moins une unité de traitement dudit gaz de synthèse, chaque unité comprenant elle-même plusieurs entités, caractérisée en ce qu'elle comprend un système tel que défini précédemment. 6. Procédé de contrôle et commande d'une installation présentant des risques liés à l'inflammabilité des gaz, caractérisé en ce qu' il est mis en oeuvre au moyen du système tel que défini précédemment.