DT Regulation GTC GUP 2009

7/25/2019 DT Regulation GTC GUP 2009

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Les systmes de rgulation et de GTC pour salles propres

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DOSSIERTECHNIQUE

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93 BCMI 2008 - Guide de lUltra-Propret

Rappel sur la rgulation, lautomatisme et la GTC

Dfinition de la rgulationGnralits

La rgulation permet de maintenir une grandeur physiqueconstante (exemple: la temprature ambiante) laide dun

rgulateur numrique.

La valeur maintenir (consigne) est obtenue par une boucle

de rgulation compose dune entre (capteur) et dunesortie (actionneur) raccordes un rgulateur par des cbles.

Les boucles de rgulation sont principalement analogiques

(PID), cest--dire avec un fonctionnement proportionnelde 0 100 % ou Tout ou Rien (ToR), cest--dire avec unfonctionnement binaire 0 / 1.

Elles fonctionnent en boucle ferme (exemple: tempraturede soufflage) ou en boucle ouverte (exemple: tempratureextrieure).

Dans lindustrie, la rgulation applique au domaine dugnie climatique sert assurer des conditions dambiancespcifiques au process de fabrication contrairement au

tertiaire o elle doit maintenir des conditions dambiance deconfort.

Dans les deux cas, cest lors de la conception que les choix

techniques de rgulation doivent tre tudis pour raliserdes conomies dnergies (exemple : free cooling).

Les vannes de rgulation

Les vannes de rgulation servent faire varier le dbit dunfluide par modification de section de passage. Elles sontinstalles majoritairement sur les circuits hydrauliques pour

alimenter les changeurs thermiques en eau et ainsi fairevarier leur dbit donc leur puissance (exemple: batterie froide).Les vannes de rgulation sont 2 voies (V2V), 3 voies (V3V)et rarement 4 voies (exemple : chauffage). Les vannes

3 voies sont mlangeuses 2 entres / 1 sortie (employespour rgler des tempratures) ou diviseuses, soit de rpar-tition 1 entre / 2 sorties (employes pour rgler les dbits).

Les principales caractristiques des vannes ( chute depression constante) sont ouverture rapide, ouverturelinaire ou gal pourcentage (exemple : gal pourcentagepour une ouverture de vanne de 50 %, on a 16 % du dbit

maximum).

La slection des vannes se fait par le calcul du coefficient KV.

Le KV correspond au dbit de la vanne en m3/h pour uneperte de charge de 1 bar. Le diamtre DN de la vanne est

dtermin partir du calcul de KV (cf. table constructeur,exemple : KV 8 = DN 25).

Pour assurer une bonne rgulation, il est recommand dedimensionner les vannes avec une autorit hydraulique

minimum de 50 % (a = 0,5).

Dfinition dun automatisme

Un automatisme est une squence dtats logiques quiactionnent une sortie binaire (exemple: marche/arrt venti-

lateur) ou force un tat (exemple: commande vanne 100 %).

Les squences dautomatismes sont de deux types: hardwareou software. Une squence hardware (matriel) est ralise

de faon lectromcanique partir de relais. Une squence

software (logiciel) est ralise partir dun rgulateur ou dunautomate par programmation. Celle-ci est gnralementen langage contact appel Ladder Diagram (LD). Le

langage comprend les conditions logiques suivantes : SI,ET, OU, PAS.

Les automatismes ont pour fonction de raliser des actions

dasservissements (exemple : dmarrage dquipements)mais aussi des actions de mise en scurit des quipementsou des personnes (exemple: alarme, arrt dquipement).

Dfinition de la GTC

Une GTC (Gestion Technique Centralise) est un PC qui

permet le pilotage et le monitoring des installationstechniques (exemples : climatisation, ventilation, chauffage,lectricit, process).

Les rgulateurs et les automates sont raccords la GTC parun bus de communication qui remonte les informationsdites de terrain. Toutes les mesures, les tats, les dfauts, lesalarmes, les consignes sont accessibles partir de vues

graphiques appeles synoptiques.


Boucle ferme Boucle ouverte

Ts: Sonde de temprature de soufflage

R : Rgulateur

M : Moteurvanne 2 voies

Ts

R

M

Te: Sonde de temprature extrieure

R : Rgulateur

M : Moteur vanne 2 voies

Te R

M

Formule du KV (pour de leau avec d = 1) :

Kv = Qv / (Dp)1/2

Qv : dbit en m3/h

Dp : pression diffrentielle en Bar

Formule du CV :

Cv = 1,16 kV

Formule de lautorit a :a = Dpv 100 / (Dpv 100 + Dpr 100)

Dpv 100 : perte de charge dans la vanne ouverte 100 %

Dpr 100 : perte de charge du rseau (rseau dont le dbit varie + changeur)

SiDI 1 = 1 et DI 2= 1 etDI 3 = 0 alors DO 1 = 1

DI 1 : Demande de marche ventilateur

DI 2 : Fin de course ouverture registre de soufflage

DI 3 : Dfaut thermostat antigel

DO 1 : Commande marche ventilateur

DI 1 DI 2 DI 3 DO 1

Exemple de Ladder Diagram


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Cest la fois un outil daide la conduite des installations(maintenance-exploitation), de suivi des installations(exemple : courbes historique-traabilit) et aussi de

comptage nergtique (bilan de consommation).

Sur les sites importants, la GTC est compose de plusieurspostes de travail (PC Workstation) et de serveurs de donnes

(PC Server). Les PC sont relis entre eux sur un rseau detype Ethernet - TCP/IP.

Protocoles de communication

Pour communiquer avec la GTC, les rgulateurs sontraccords des bus de communication (exemple : fibreoptique ou cble paire torsade) qui parlent un langage

appel protocole de communication. Il existe des proto-coles ouverts (exemples :Lonworks, Bacnet) ou desprotocoles propritaires

(exemple : Profibus). Lesprotocoles propritaires sontles plus utiliss et adaptspour lindustrie, les proto-

coles ouverts tant plusorients tertiaire.

Spcificit des systmes de rgulation et de GTCpour salles propres

Introduction

Dans le domaine des salles propres la rgulation des

systmes HVAC a pour but de maintenir des conditionsdambiance constantes et trs prcises en temprature,hygromtrie et surpression (exemple : microlectronique)

ou dpression (exemple : laboratoires de scurit). Largulation est galement utilise pour contrler les fluides(process ou mdicaux) de linstallation.

Exemple de conditions dambiance en microlectronique :

Temprature = 21 C +/- 0,2 C Hygromtrie = 50 % HR +/- 5 % HR Surpression = 30 Pa +/- 5 Pa

Exemples de systmes contrler en microlectronique :

Systmes HVAC- production chaud (chaudire fuel ou gaz)- production froid (groupe froid, tour arorfrigre)- distribution chaud et froid (araulique/hydraulique)- traitement dair (CTA / CTAN / recycleur/ FFU)

- exhaust (extraction acide, solvant, air chaud, NH3)- dsenfumage

Systmes fluides process- eau de refroidissement de process (ERP)

- air comprim sec (ACS)- vide process et vide nettoyage- eau dsionise (EDI) ou eau ultrapure- bulk gaz et gaz cabinet

- azote gazeux et liquide Systmes lis la protection de lenvironnement (DRIRE)

- traitements des effluents (station de neutralisation)- traitement des rejets liquides et gazeux (laveur acide,

brleur solvant).

Capteurs / Actionneurs

Les capteurs et actionneurs doivent tre fiables et dunegrande prcision. Les capteurs et actionneurs fonctionnent

gnralement avec des signaux 4-20 mA pour permettre delongues distances de cblage et aussi dtecter la perte du

signal (0 mA). On utilise parfois des signaux 0-10V pour desdistances plus courtes de cble (chute de tension ngli-

geable). En mesure de temprature on prconise des sondesPt100 1/3 DIN (prcision +/- 0,1 C) avec convertisseur4/20 mA intgr. En mesure dhygromtrie relative on

utilise des capteurs 4/20 mA avec une prcision de +/- 2 %pour une mesure de 5 90 % HR. En mesure de pression onutilise des capteurs 4/20 mA avec une prcision de +/- 1 %.Le choix dimplantation des capteurs est dterminant pour

obtenir une mesure correcte.

Les actionneurs sont souvent quips de servomoteurspneumatiques pour obtenir des temps daction trs rapides.

Rgulateurs-Automates

Les installations techniques sont gres partir de rgula-teurs numriques DDC ou dautomates industriels PLC

avec fonction PID intgre. Ces appareils doivent commu-niquer en temps rel avec la supervision GTC. Pourcertains fluides process critiques (exemple : eau de refroi-dissement process), les automates sont redondants, cest--

dire quils sont doubls pour garantir un fonctionnementcontinu.

GTC

La GTC permet de contrler lensemble des installationstechniques du site (HVAC, lectricit, dtection incendie...), partir des PC mtiers installs en salle de contrle avec

cran individuel et imprimante fil de leau pour les alarmes.La GTC est aussi appele supervision, FMCS (en micro-lectronique) ou SCADA (pour les systmes de gaz).

SPC

Dans certaines industries il est ncessaire de raliser desanalyses statistiques partir des donnes de la GTC afindamliorer le process. On utilise alors un logiciel de SPC

(Statistical Process Control) ou contrle statistique deprocessus qui calcule par exemple des valeurs de moyenne,

cart type, Cp et Cpk (exemple en microlectronique : Cpk> 1,33).

Normes et rglementation

Plusieurs normes et rglementations franaises, europennes,amricaines ou internationales sont relatives la rgulation,lautomatisme et la GTC. Lapplication de certaines de cesnormes dpend des exigences du client et du bureau dtudes

en rgle gnrale. Quelques normes sont donnes titredexemple dans lencadr ci-aprs.

Exemples de normes

La reprsentation symbolique de la rgulation pour dessiner des P&ID se fait

partir des normes suivantes :

- ISA S5.1 : Instrumentation symbols and identification

- NF E 04-203: Fonction de rgulation, de mesure et dautomatisme des

processus industriels - Reprsentation symbolique - principe de base.

Exemple de synoptique de GTC


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Dossier dtudes de ralisation

Un dossier dtudes de ralisation est gnralement constitu

des documents suivants qui sont transmis avec le DOE(Dossier des Ouvrages Excuts):- analyse fonctionnelle (AF)- liste de points

- schmas P&ID- architecture systme GTC- fiche technique- documentation technique

- certificats dtalonnage.

Descriptif des documents produire

Analyse fonctionnelle (AF)

Lanalyse fonctionnelle consiste dcrire les principes defonctionnement de la rgulation et des automatismes delinstallation. Ce document qui comprend les logigrammes

de fonctionnement de chaque boucle de rgulation avec

leurs consignes ainsi que les squences dautomatismes sousforme de graphcet ou ladder, est ncessaire pour raliser laprogrammation des rgulateurs et des automates.

Liste de points

Une liste de points consiste dterminer le nombre totaldentres/sorties de linstallation. Elle doit comprendre

minima pour chaque point son libell, son mnmonique, sontype de point (AI/DI/AO/DO), son chelle et son signal.

Exemple de liste de points

Schmas P&ID

Les P&ID sont des schmas de principe des installations(exemple : CTA) avec une reprsentation normalise des

instruments de rgulation.

Chaque entre/sortie doit tre reprsente avec son repreTagname (exemple : TT 01). Ces schmas sont ncessaires

pour comprendre le fonctionnement des boucles dergulation (exemple : TIC 01) et les automatismes de lins-tallation de faon graphique.

Architecture systme GTC

Larchitecture systme est un schma de principe avec unereprsentation graphique des quipements de rgulation

raccords la GTC. Les bus de communication sont repr-

sents de faon filaire suivant leur topologie (bus srie,toile, anneau).

Fiche Technique

Des fiches techniques individuelles rcapitulatives doiventtre cres pour chaque matriel. Ces fiches sont ncessairespour connatre le dtail des caractristiques techniques du

matriel install et pour pouvoir procder au remplacementventuel et la maintenance.

Documentation technique

Toutes les documentations techniques des constructeurs dematriel doivent tre jointes au dossier. Ces documentationscompltent les fiches techniques et apportent toutes lesprcisions ncessaires au montage et la maintenance du

matriel.

La GTC dans le domaine pharmaceutique doit permettre une traabilit et

protection par signature lectronique conformment au rfrentiel FDA suivant:

- 21 CFR Part 11 : Electronics records, electronics signatures Signatures

lectroniques pour le contrle et lenregistrement des donnes.

GAMP 4 Good Automated Manufacturing Practice : Bonnes Pratiques de

systmes automatiss appliques lindustrie pharmaceutique pour la

validation des systmes informatiss et automatiss.

La programmation des automates doit respecter une structure de langage et

doit treconforme la norme CEI (Commission Electrotechnique Internationale)

suivante:

- IEC 1131-3 : Programmation des automates (5 langages: SFC ou Grafcet,

LD, FBD, IL, ST).

Libell Unit

-10/50C

0/100%HR

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/100%

0/100%

0/1

0/1

0/1

0/40C

0/100%HR

- 1 - -

- 1 - -

- - 1 -

1 - - -

1 - - -

- - 1 -

1 - - -

1 - - -

- - - 1

- - - 1

1 - - -

- - 1 -

1 - - -

E/ToR

DI

E/ANA

AI

S/ToR

DO

S/ANA

AO

Traitement dair / CTA 1 :

- Temprature air neuf

- Hygromtrie air neuf

- Commande registre soufflage

- Fin de course registre air neuf

- Encrassement prfiltre

- M/A ventilateur de souffage

- Retour tat marche ventil. de soufflage

- Dfaut ventilateur de soufflage

- Vanne 3 voies batterie chaude

- Vanne 2 voies batterie froide

- Encrassement filtre F7

- Commande registre soufflage

- Fin de course registre soufflage

- 1 - -- Temprature soufflage

- 1 - -- Hygromtrie soufflage

15 pointsTotal 6 4 3 2

EV

TT

01

TIC

01

TCV

01

CTA

BF

Exemple de schma P&ID

GTC

Traitement d'air

Capteur Actionneur

Pompes Mesures - Comptages Production froid

Ethernet - TCP/IP

Architecture systme GTC


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Certificats dtalonnage

Les certificats dtalonnage des capteurs sont fournirseulement si cela a t demand par le client.

Un talonnage consiste comparer les valeurs dun capteur

(gnralement 3 points) un talon pour vrifier sil y a descarts et les corriger. Cela doit tre ralis par un organisme

ou un laboratoire agr COFRAC (Comit FranaisdAccrditation) qui dlivre un certificat dtalonnage officiel.

Programmation des rgulateurs-automates

Une fois les tudes de ralisation effectues, la program-mation peut tre ralise. Elle seffectue partir de lanalyse

fonctionnelle et doit tre valide sur banc dessai prala-blement la mise en service pour effectuer les tests defonctionnement et les dbogages. La programmation estralise partir du logiciel du constructeur de matriel

(licence ncessaire).

Lorsque le programme est termin, il est tlcharg dansle rgulateur laide dun cble spcifique raccord entre le

PC et le rgulateur. Une copie de sauvegarde desprogrammes est jointe au dossier dtudes sous forme deCD-Rom.

Exemple de programmation de boucle de rgulation (logigramme de

fonctionnement)

Mise en service

Une mise en service ou Commissioning se droule selonles tapes suivantes :

- test fil fil du cblage par llectricien- chargement des programmes- claquage de point (vrification des entres/sorties)- tests des automatismes et des boucles de rgulation- rglage des consignes, des boucles ToR et des boucles PID

(BP, Ti, Td) selon la mthode de Ziegler Nichols ou deBroda

- tests de synchronisation avec la GTC.

La mise en service est gnralement faite en prsence dumetteur au point qui ralise conjointement les essais etquilibrages hydrauliques et arauliques appels Balancing.

A la fin de la mise en service, un dossier est remis au clientdans lequel figurent tous les rglages et tests effectus.Aprs la mise en service les quipes de maintenanceralisent ltalonnage des capteurs cause de leur drive

dans le temps.

Conclusion

Rappelons que dune manire gnrale une rgulation nepeut tre efficace que si la conception de linstallation a t

faite correctement. En aucun cas la rgulation ne pourracorriger des erreurs de dimensionnement ou de principe de

fonctionnement de linstallation.

En salle propre, il est important de souligner que pourobtenir une bonne rgulation, le choix du matriel est dter-minant ainsi que la qualit des tudes qui doivent tre

ralises par des spcialistes de lindustrie et non dubtiment.

Enfin, notons quaujourdhui face aux exigences croissantes

en terme dconomie dnergie, quel que soit le domaine,la rgulation et la GTC sont devenues des outils incontour-nables. La GTC du futur devrait certainement voluer dansce sens dans les prochaines annes.

Dossier ralis pour

le Guide de lUltra-Propret

Christophe SONTAGOMEGA CONCEPT

Groupe COFATHEC

Lexique

HVAC : Heating, Ventilating and Air Conditioning

CVC : Climatisation, Ventilation et Chauffage

DDC : Direct Digital Controller

PLC : Programmable Logic Controller

API : Automate Programmable Industriel

SNCC : Systme Numrique de Contrle Commande

GTC : Gestion Technique Centralise

GTB : Gestion Technique de Btiment

FMCS : Facilities Monitoring & Control System

SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition

HMI : Human Machine Interface

ToR : Tout ou Rien

PID : Proportionnel Intgrale Drive

P&ID : Process & Instrumentation Diagram

AF : Analyse Fonctionnelle

SPC : Statistical Process Control

AI : Analog Input (entre analogique)

DI : Digital Input (entre digitale)

AO : Analog Output (sortie analogique)

DO : Digital Output (sortie digitale)

SP : Setpoint (consigne)

BP : Bande Proportionnelle en %

Ti : Temps dintgration (intgrale en s ou min)

Td : Temps de drive (drive en s ou min)

V2V : Vanne 2 voies

V3V : Vanne 3 voies

KV : Coefficient de dbit de vanne de rgulation (Fr)

CV : Coefficient de dbit de vanne de rgulation (US)

a : Autorit hydraulique de vanne de rgulation

4/20 mA : Signal lectrique dune boucle de courant (2 fils ou 4 fils)

Boucle de rgulation analogique Boucle de rgulation ToR

Vanne 3 voies BF

T soufflage10C 22C 40C

(SP)

BP

100 %

0 %

SP : Set point (consigne)

BP : Bande proportionnelle

Niveau

cuve

Diffrentiel

ferme

ouverte

Vanne ToR

SP : Set point (consigne)

NB : Niveau bas

NH : Niveau haut

NB SP NH

Documents

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