Application d'un microprocesseur dans une installation d'ozonation

parTrailigaz

Les procédés d'ozonation des eaux potables datent sans doute du début de ce siècle, mais nous avons assisté au cours de ces dernières années à une évolution technologique ainsi qu’à une sensible progression des besoins, conduisant à des réalisations de plus en plus importantes capables d’atteindre des productions de plusieurs tonnes d’ozone par jour.

L'augmentation permanente du prix de l’énergie rend obligatoire la recherche du rendement optimum. Ce résultat ne peut être obtenu qu’en contrôlant les principaux paramètres de réglage de l'installation dans les délais les plus rapides. En raison de la diversité des agencements, de la nature des équipements et compte tenu des critères d'exploitation et de traitement qui font intervenir des notions fondamentales telles que « durée de contact » et « ozone résiduel », les asservissements par servo-mécanismes du type traditionnel ne permettent que difficilement la résolution de ces problèmes.

Ceux-ci peuvent être résolus par un ordinateur fonctionnant en temps réel et du type contrôle de procédé. Cependant, le prix, le personnel spécialisé, l'environnement local et surtout la dispersion géographique entravant la maintenance nous auraient fait renoncer à une solution de cette forme, si les microprocesseurs n’étaient apparus en 1973.

Bien que la définition d'un microprocesseur soit encore sujette à discussions, nous dirons pour simplifier que c’est un ordinateur complet réduit aux dimensions d’un composé électronique. Par suite, le microprocesseur rend possible la généralisation de l'emploi des ordinateurs, et nous pouvons l'utiliser à l'automatisation du « procédé ozone ». La souplesse des procédures de programmation nous permet d'utiliser la méthode de régulation convenant le mieux au problème posé, tout en conservant une forme standard de calculatrice, qui peut être construite en petite série.

De plus, compte tenu du temps d’occupation du microprocesseur, il est possible d’éditer le journal d’exploitation, d’attirer l’attention de l'exploitant sur l'obligation de travaux de maintenance, et de surveiller certaines grandeurs physiques importantes.

L'intérêt du microprocesseur est encore augmenté par la possibilité d'automatiser les petites installations pour un prix abordable mais toujours suivant les mêmes principes et la même souplesse.

Notre intention est d'exposer pourquoi et comment nous avons été amenés à automatiser le « procédé ozone » dans le cadre de nos installations de traitement.

Nous avons assisté au cours de ces dernières années à une sensible progression des besoins en ozone ainsi qu’à une évolution technologique conduisant à des réalisations de plus en plus importantes. Les installations d’ozonation sont actuellement capables d'atteindre en effet des productions de plusieurs tonnes d’ozone par jour.

1. LA RECHERCHE DU RENDEMENT OPTIMUM

L'augmentation permanente du prix de l'énergie rend obligatoire la recherche du rendement optimum. Ceci est d’autant plus sensible que la productivité, exprimée en nombre de watts-heures par gramme d'ozone produit, caractérise un rendement énergétique faible, voisin de 5 %.

L'optimisation du rendement peut être obtenue en agissant sur les principaux paramètres de réglage de l'installation, en leur imposant des valeurs judicieusement choisies, et en agissant dans les délais les plus rapides. Nous avons donc à résoudre un problème d'automatisme dont les éléments principaux sont liés à la mesure des grandeurs physiques ou des états et aux moyens d'action sur le système, c’est-à-dire des télécommandes.

CRITÈRE FONDAMENTAL CARACTÉRISANT L’AUTOMATISME ET SES CONSÉQUENCES

Il est basé sur les conclusions de MM. Louis COIN, Claude JEANNOUN et Cyril GOMELLA, portant sur l'inactivation par ozone du virus de la poliomyélite présent dans les eaux. Les conclusions se ramènent à une règle simple.

Citation : La règle de 0,4 mg/l d'ozone résiduel agissant pendant quatre minutes paraît bien constituer une enveloppe procurant une certitude d'inactivation (1).

Cette règle a pour conséquences, au point de vue automatisme, devant une variation rapide du débit d'eau ou de toute autre grandeur se traduisant par une variation du résiduel, par une réponse rapide de l'automatisme à cette impulsion unitaire ; devant cet échelon, elle doit être telle qu’à chaque instant la règle des 0,4 mg/l pendant 4 minutes soit respectée. Les conséquences de cette option sont les suivantes :

— L'automatisme sera, quels que puissent être sa technologie et son principe de réalisation, constitué par un servo-mécanisme. Ceci veut dire que l'on comparera la grandeur de sortie, c’est-à-dire le résiduel exprimé par un signal, à une référence image de la valeur souhaitée de la grandeur de sortie. Nous avons ici un système à réaction. — Il est nécessaire d’automatiser les petites installations au même titre que les grandes.

Particularités du servo-mécanisme

— La réponse du servo-mécanisme doit être rapide pour permettre le respect permanent du critère fondamental. — Pour la même raison, la réponse doit être dépourvue d’oscillations. — À la mise en service de la station ou de l'automatisme, il est indispensable de faire en sorte que le résiduel de 0,4 soit obtenu très rapidement. — D’autre part, le traiteur d’eau se doit d’obtenir une certitude morale d’inactivation des virus.

Ces quatre points nous amènent à préconiser l’édition par imprimante d’un compte rendu de poste précisant :

• — le temps de contact le plus faible effectivement réalisé,
• — le résiduel mesuré,
• — l’écart type ou la variance du résiduel quand celui-ci a été le plus défavorable.

Ceci revient à avoir un document caractérisant les plus mauvaises conditions de fonctionnement.

3. OPTIMISATION DE LA PRODUCTION D’OZONE

L’optimisation est fonction de la concentration d’ozone dans l’air.

Compte tenu du fait que le rendement énergétique de la production d’ozone décroît si la concentration atteint un certain seuil, et qu’il est nécessaire de tenir compte du rendement de la diffusion, la concentration optimale moyenne se situe vers 18 g O₃/Nm³ d’air.

La production d’ozone étant variable par suite de l’asservissement sur résiduel, l’automatisme calculera la quantité d’ozone produite et, compte tenu d’une concentration affichée, calculera le débit d’air à fournir qui servira de référence au servo-mécanisme de contrôle de débit d’air.

4. PARTICULARITÉS DE L’AUTOMATISME

Comme tout servo-mécanisme, le dispositif fait opposition à toute variation de la grandeur réglée, le résiduel. Ce servo-mécanisme est complexe car il comprend :

• — un servo-mécanisme contrôlant un débit d’air, des organes de production d’air, d’ozone, et de répartition des flux d’air, en nombre variable.

Nous avons ici un servo-mécanisme du type « multivariables ».

De plus, l’automatisme doit assurer l’édition d’un compte rendu de poste.

5. QUELLE PROCÉDURE UTILISER POUR RÉALISER LA FONCTION AUTOMATISME ?

3 solutions possibles

Solution 1.

Elle serait constituée d’une succession d’opérateurs analogiques, associés à une logique câblée, comprenant des circuits intégrés.

Solution 2.

Mini-ordinateur, c’est maintenant la solution classique de l’automatisme programmé.

Solution 3.

Micro-calculateur, c’est un calculateur de type logique programmé, construit autour d’une pièce détachée appelée microprocesseur, et exerçant une grande partie des fonctions d’une unité centrale d’ordinateur. Associé à d’autres éléments à haut degré d’intégration, il permet la réalisation de calculateurs à la demande.

La solution 1

Cette solution n’a pas été prise en considération pour les motifs suivants :

• — le conditionnement du matériel permettant l’automatisme sous une forme toujours identique à elle-même est impossible sur un équipement constitué d’un système logique plus analogique ;
• — l’édition d’un journal d’exploitation n’est possible qu’avec un système programmé ;
• — la maintenance est hasardeuse par suite de la variété de la configuration des machines ;
• — les détections de seuils ne sont pas toujours faciles ;
• — les chaînes d’amplification doivent être réglées en « offset » et en gain, et un temps considérable est utilisé en réglages et en suppression d’accrochages par des condensateurs bien placés.

Solutions 2 et 3

Il reste donc à faire un choix entre le mini-ordinateur et le microprocesseur.

Ce choix a été fait conformément à l’organigramme (1) et nous avons conclu :

• — la vitesse nécessaire n’est pas très grande ;
• — le système doit évoluer ;
• — une souplesse fonctionnelle est nécessaire ;
• — il n’est pas indispensable de stocker un grand nombre de données.

En conclusion : le microprocesseur est choisi.

Une question fondamentale se pose :

• — le micro-calculateur utilisant le microprocesseur sera-t-il acheté ou étudié et développé par nos soins ?

La décision a été prise conformément au 2ᵉ organigramme, soit :

• — Y a-t-il des équipements convenables sur le marché ?Réponse : non.
• — Les questions suivantes ont pesé sur notre décision :• Le nombre d’équipements à faire justifie-t-il l’étude ?• L’étalement dans le temps est-il important ?Réponse : oui.

— L’évolution dans le temps est-elle importante? réponse : oui (Nous reprendrons cette question à la fin de l'exposé).

— La seconde source est-elle importante? réponse : oui (Nous ajouterions : fondamentale).

— L'ensemble des trois réponses aux questions précédentes nous a amenés à opter pour le développement par nos soins d’un microcalculateur, malgré le nombre de machines relativement peu élevé.

Sa fonction étant le contrôle d'une installation d’ozonation, c’est donc un calculateur de procédé fonctionnant en temps réel, dont le sigle choisi : C.A.P. exprime l'idée de contrôle automatique du procédé.

6. LE CHOIX D’UN SYSTÈME

6.1. Quel microprocesseur choisir?

— Format et fréquence des entrées/sorties — Fréquence moyenne par entrée : 5 Hz au maximum. — Longueur des mots d’entrées : 8 bits. Ce qui correspond à une précision par entrée meilleure que 0,5 %, c'est largement suffisant, compte tenu de ce que l'on peut attendre des télémesures.

— Besoins en mémoires — Ils ont été estimés, dans la première étape du développement, à 42 kilomots de 1 octet. — En seconde étape à 10 kilomots, ce volume mémoire rend possible l'édition du compte rendu de poste et permettra l’évolution future.

— Rythmes de calculs Compte tenu de la vitesse de variation du résiduel, nous avons estimé : — qu'un temps de calcul de 800 ms était très largement suffisant pendant les séquences où le servo-mécanisme recherchait son équilibre. En fait le temps de calcul est généralement inférieur à 600 ms avec le 8008, d’où le choix du 8008 en première étape et du 8080 en second lieu.

— Les éléments associés au microprocesseur Le choix d'un microprocesseur est étroitement lié à sa famille associée. Plus celle-ci est complète, plus le microcalculateur développé sera simple et performant.

6.2. Contraintes devant être respectées au niveau système C.A.P.

La conception du système C.A.P. répond aux astreintes suivantes :

— Système d'entrée/sortie Il est du type industriel pour télémesures et télécontrôles en temps réel, mais réalisé en fonction d'un milieu très parasité, puisque l'effet-couronne est utilisé à la production d’ozone, et ceci à des niveaux de puissance atteignant 600 kW par ozoneur dans le cas d’alimentation par onduleur.

— Types d'installations Nous avons prévu 3 types de calculateurs suivant la taille de l’installation de traitement par l'ozone, ceci en utilisant les mêmes cartes et les mêmes programmes.

— Dépannage La dispersion géographique des installations de traitement et leur distance sont telles que, pour permettre d’assurer le dépannage, le calculateur est complètement débrochable de son armoire ou de son coffret. Ceci peut être fait par du personnel non spécialisé. Le dépannage est fait en usine. Le matériel est envoyé par transport aérien dans un container spécial.

— Passage du 8008 au 8080 La structure de l'interconnexion de cartes à cartes, constituée par un circuit imprimé, permet le passage du 8008 au 8080 en changeant simplement les coupleurs d’entrée/sortie et l’unité de traitement.

— Tenue aux agents physiques — Les cartes électroniques ont été vernies pour résister à l'air humide. — La circuiterie est spécialement étudiée pour être insensible à l’air ozoné.

— Temps de conversion mesures analogiques et numériques Pour respecter un temps de calcul voisin de 600 ms pour l’ensemble du programme dans une tâche d’asservissement du résiduel, nous avons adopté un temps de conversion analogique-numérique meilleur que 10 microsecondes.

6.3. Contraintes pour les programmes et la programmation

— Par suite de la dispersion géographique des installations et du problème des distances, nous avons établi qu’en principe il n'y a pas d'intervention sur le programme au niveau du site. — Le programme est donc mémorisé en mémoire morte (REPROM). — Les réglages, s’il en existe, sont faits sur potentiomètres aboutissant aux entrées analogiques.

— Pour obtenir une certitude quant à la qualité du programme, nous opérons comme suit, sur un banc d’essais de simulation.

a) Mise au point du calculateur sur un programme d’essais.

b) Mémorisation, sur les mémoires REPROM du calculateur en essais, du programme assemblé et simulé sur un ordinateur réservé à cet usage.

c) Adaptation du programme au calculateur en simulant l’action du procédé sur le banc de simulation.

Les programmes fondamentaux intéressant le procédé ozone ont été essayés sur des sites proches de notre siège.

7. LE SYSTÈME C.A.P.

Nous avons cherché à établir un maximum de cohérence entre l’ensemble des éléments constituant le système C.A.P. soit entre :

— Le matériel électronique ; — Les programmes informatiques d’usage courant ; — Les fonctions exercées par la réunion du matériel et du logiciel.

Par cohérence, nous entendons association logique et harmonieuse entre les éléments cités ; cette association doit être suffisamment souple pour permettre l’évolution future ; elle a pour but de simpli­ fier le travail du personnel effectuant la mise en service et le dépan­ nage.

7.1. Le matériel électronique

— Les cartes

Le système C.A.P. est centré sur un circuit imprimé d’intercon­ nection de cartes à cartes permettant le raccordement entre cartes. Il est identique pour les microprocesseurs 8008 et 8080.

Il est prévu une carte unité de traitement utilisant le 8008 et une autre le 8080, l’une ou l’autre étant associée à une famille de car­ tes d’entrées/sorties assurant les fonctions d’entrées/sorties et d’interruptions hiérarchisées.

— Les 3 types de calculateurs C.A.P.

L’une ou l’autre de ces familles de cartes sont montées en coffret, pour le calculateur type 4 (petites installations) ou pour le calcu­ lateur type 3 (installations moyennes).

Pour les grosses installations le calculateur est monté en armoire, le système d’entrée/sortie devenant encombrant.

7.2. Quelques sous-programmes types dans notre ensemble de programmes

Sous-programme contrôle du positionnement d’un régulateur à induction afin de moduler la puissance d’ozonation réglant le rési­ duel.

L’asservissement est du type incrémental. Le principe est de faire augmenter ou diminuer l’organe de contrôle, servo-moteur de posi­ tionnement de régulateur à induction, pendant un temps court d’une durée proportionnelle au signal d’erreur, les impulsions de contrôle se succédant avec un écart de temps réglable sur le site et qui dépend de la fonction de transfert du système.

Dans l’application de ce programme le calculateur peut effectuer simultanément la commande de plusieurs régulateurs à induction, ou servo-moteur de positionnement des couronnes de balais des moteurs des surpresseurs, ou encore servo-moteurs de commande de vannes à ouvertures proportionnelles.

Sous-programme proportionnel, intégral et dérivé.

Nous ne nous étendrons pas sur ce programme classique en régulation.

Rappelons que l’ordre de correction y est exprimé par

y = kpx + kd dx/dt

x étant l’écart consigne-mesure ; l’algorithme de régulation numé­ rique s’écrit :

yt = kpx + kd (xt – xt-1)/dt = ki [yt-1 + dt × xt]

Il a été programmé pour contrôler des thyristors en ouverture progre­ ssive.

La forme classique du signal, exprimé par un niveau analogique, lui a été donnée. Le contrôle par thyristor assure une modulation de puissance, du minimum au maximum de l’ozoneur.

8. FONCTIONS ACTUELLEMENT EXÉCUTÉES PAR C.A.P.

8.1. En vue de l’asservissement du résiduel

— Commande en modulation de puissance des ozoneurs, via régu­ lateurs à induction, onduleurs ou thyristors.

— Commande en modulation de vitesse des surpresseurs, en vue du maintien d’une concentration d’ozone dans l’air calculée.

— Télécommande des ozoneurs et surpresseur afin de donner la configuration optimum au procédé.

8.2. Édition du compte rendu d’exploitation (avec le 8080 seulement).

9. ÉVOLUTION DU PROCÉDÉ OZONE ENVISAGÉE À COURT TERME GRÂCE À C.A.P.

Nous avons prévu :

— L’utilisation d’un scope de visualisation pour représenter l’état du procédé. Ceci a pour conséquence d’importantes économies par suppression du synoptique.

— Le contrôle de nos électroniques d’analyseur de résiduel par programme.

— Nous sortirions, outre le résiduel d’ozone dissous dans l’eau, la concentration de l’ion chlore ; un réglage du zéro de l’électronique serait effectué périodiquement par C.A.P. ainsi qu’un traitement des signaux de sortie en vue d’améliorer le rapport signal/bruit.

— Le calcul systématique du bilan énergétique et son édition dans le compte rendu de poste.

— L’accès direct à la mémoire et la prise de fonctions du calculateur par un ordinateur extérieur plus puissant et prioritaire.

10. CONCLUSION

Pour conclure, nous pensons que l’évolution technologique de l’ozoneur lui-même peut être infléchie par la souplesse des solutions apportées par les microprocesseurs. En effet cette pièce détachée complexe, le microprocesseur et ses éléments complémentaires, ren­ dent possible l’application à l’industrie de méthodes programmées, ceci à partir d’un matériel spécialement conçu pour une industrie très particulière : l’ozone.

Références bibliographiques

(1) Docteur Louis COIN, Claude HANNOUN et Cyril GOMELLA : Inactivation par l’ozone du virus de la poliomyélite présent dans les eaux. « LA PRESSE MÉDICALE », 12 septembre 1964. Nouvelle contribution. « LA PRESSE MÉDICALE », 23 sep­ tembre 1967.

(2) André SABATIER. Application pratique des microprocesseurs aux mesures, régulations, automatismes. « MESURES », novem­ bre 1975.

M. MARETS.

LES CENTRES DE TRAITEMENT DES DÉCHETS INDUSTRIELS EN FRANCE

Quelques adresses de Centres spécialisés dans la destruction des déchets :

© Plates-formes de traitement pour déchets liquides toxiques (métaux lourds, cyanures, huiles solubles, etc.).

• SOCIÉTÉ PEC ENGINEERING B.P. n° 43, HOMBOURG – 68170 RIXHEIM Tél. : (69) 89.76.54.

• SARP INDUSTRIES Z.A.C. Anti-pollution de MANTES-LIMAY 78520 LIMAY – Tél. : (1) 092.04.77.

• GEREP – Groupement pour l’Élimination des Résidus Polluants Centre de traitement de MITRY-COMPANS Rue Jacquard – Zone Industrielle de MITRY-COMPANS 77290 MITRY-MORY – Tél. : (1) 427.16.97.

• S.O.M.I.D. Quartier de l’Aiguille – GIGNAC-LA-NERTHE 13700 MARIGNANE – Tél. : (91) 46.11.99.

© Plates-formes d’incinération de déchets solides et liquides.

• SOCIÉTÉ PEC ENGINEERING B.P. n° 24, SAINT-MAURICE-L’EXIL 38550 PÉAGE-DE-ROUSSILLON – Tél. :

• SAAP INDUSTRIE – MANTES-LIMAY

• SOCIÉTÉ INDUSTRIELLE DE LILLERS 41, rue d’Aire – 62190 LILLERS Tél. : (21) 02.28.14.

• GEREP – Centre de MITRY-COMPANS

• PLAFORA – Centre de SAINT-VULBAS Tél. : (74) 86.10.83.

© Plates-formes de traitements spéciaux (huiles, hydrocarbures).

• SPIRS ALSACE – Société de Protection, d’Installations, de Raffinage et de Stockage 14, rue de Rouen 67000 STRASBOURG/ROBERTSAU – Tél. : (88) 61.40.10.

• HOUILLÈRES DU BASSIN NORD-PAS-DE-CALAIS Centrale de COURRIÈRES 62710 COURRIÈRES – Tél. : (21) 20.24.04.

• ETS FRADIN 163, avenue du Maréchal-Foch 78130 LES MUREAUX – Tél. : (1) 474.17.10.

• Incinération en mer du Nord (SOCIÉTÉ WORMS-ROTTERDAM).

• SOCIÉTÉ SOFEDI 5, rue des Francs-Bourgeois 67000 STRASBOURG – Tél. : (88) 32.12.76.

© Plate-forme de récupération de bains usés de décapage chlorhydrique.

• S’adresser à : SOCIÉTÉ PECHINEY-UGINE-KUHLMANN Usine de Loos – B.P. n° 27 59120 LOOS – Tél. : (20) 92.91.92.

© Plates-formes de régénération d’huiles usées.

• SOCIÉTÉ PETROCARBOL 2, avenue du Général-de-Gaulle B.P. n° 4 – 54380 DIEULOUARD Tél. : (28) 26.58.68.

• SOCIÉTÉ SOPALUNA LYON 28, boulevard du Parc-d’Artillerie 69007 LYON – Tél. : (78) 69.40.35.

• SOCIÉTÉ SOPALUNA/CHELLES Route du Corps-de-Garde 77500 CHELLES – Tél. : (1) 957.95.20.

• SOCIÉTÉ MATHIS Zone Industrielle de PORT-JÉRÔME 76170 LILLEBONNE – Tél. : (35) 94.04.49.