3.1 Boucle de régulation : consigne, mesure, sortie et vanne de régulation

Une boucle de régulation maintient une grandeur du procédé à une valeur voulue, malgré les perturbations. Les ouvrages d'instrumentation la décrivent avec six éléments, qu'on retrouve sur tous les schémas.

• Le procédé : le système physique à maîtriser (un échangeur, une cuve, un four).
• La variable mesurée (PV) : la grandeur que le transmetteur mesure et dont il envoie le signal.
• La consigne (SP) : la valeur visée.
• Le régulateur : il interprète la PV, la compare à la SP et décide de la position de l'organe final.
• L'organe de réglage final : le plus souvent une vanne, parfois un moteur à vitesse variable ou une résistance chauffante.
• La variable réglante (MV) : la grandeur qu'on manipule, comme le débit de vapeur, pour agir sur la PV.

Exemple : sur un échangeur à vapeur qui chauffe un liquide, la PV est la température de sortie du liquide, la MV le débit de vapeur, l'organe final une vanne de vapeur. On règle la vapeur plutôt que le débit de liquide, car modifier le débit de liquide perturberait les autres paramètres de l'unité.

La rétroaction est dite négative : si la PV monte, la boucle agit pour la faire redescendre ; si elle baisse, la boucle agit pour la relever. Si le débit de liquide froid augmente brusquement, la température de sortie baisse ; le régulateur voit la baisse et demande plus de vapeur. Cette variable que la boucle ne maîtrise pas (ici le débit de liquide froid) est une perturbation, appelée aussi charge. Sans perturbation, une vanne réglée à la main suffirait : ce sont les perturbations qui justifient la régulation.

Le régulateur le plus simple fonctionne en tout-ou-rien (« on/off », ou « bang-bang ») : si la PV passe sous la consigne, la sortie est à 100 % ; si elle la dépasse, la sortie tombe à 0 %. Pour éviter que l'organe final ne commute en permanence autour de la consigne, on utilise un écart différentiel avec deux seuils, haut et bas.

Le résultat est une PV qui oscille entre les deux seuils sans jamais se stabiliser sur la consigne, car la stabilité exigerait une vanne dans une position intermédiaire. L'organe final s'use à force de commuter (fatigue thermique des tubes d'un échangeur chauffé alternativement chaud et froid, par exemple) et chaque dépassement au-dessus de la consigne gaspille de l'énergie.

Le tout-ou-rien peut suffire pour le thermostat d'un bâtiment. Pour un procédé sensible, on emploie une régulation continue, où la sortie varie de façon proportionnée à l'écart : c'est le sujet des chapitres 3.2 et 3.3.

Un régulateur calcule l'écart entre la consigne et la mesure, puis détermine la sortie. Il existe deux sens d'action, qu'il faut régler correctement à la mise en service.

• Action inverse : quand la PV augmente, la sortie diminue. C'est le cas d'un chauffage : température trop haute, on ferme la vanne de vapeur.
• Action directe : quand la PV augmente, la sortie augmente. C'est le cas d'un refroidissement : température trop haute, on ouvre l'eau de refroidissement.

Le même procédé peut demander l'un ou l'autre selon la vanne utilisée. Une régulation de niveau agit en inverse sur la vanne d'alimentation (le niveau monte, on ferme l'arrivée) et en direct sur la vanne de soutirage (le niveau monte, on ouvre la sortie). Si le sens est inversé, la boucle amplifie l'écart au lieu de le corriger : la vanne s'ouvre quand elle devrait se fermer et la grandeur s'emballe jusqu'à une butée.

Deux modes de fonctionnement s'ajoutent. En mode automatique, le régulateur calcule sa sortie à partir de l'écart entre PV et consigne. En mode manuel, l'opérateur impose directement la sortie : le régulateur n'intervient plus. Le passage en manuel est le premier réflexe quand une mesure est douteuse ou qu'on intervient sur la boucle (chapitre 4.2).

L'organe de réglage final le plus répandu est la vanne de régulation. Elle comprend un corps (le passage du fluide), un actionneur qui le déplace et, le plus souvent, un positionneur.

L'actionneur pneumatique classique associe une membrane et un ressort : la pression d'air qui agit sur la membrane s'oppose au ressort, et la tige se déplace proportionnellement à cette pression. Les signaux pneumatiques classiques vont de 3 à 15 psi (environ 0,2 à 1 bar) ; un convertisseur courant-pression (I/P) transforme le 4-20 mA du régulateur en signal pneumatique.

Cette proportionnalité n'est vraie que si l'actionneur et le ressort sont les seuls efforts en jeu. Or le frottement des garnitures de la tige et la force de la pression différentielle sur le clapet viennent perturber la position. Le positionneur compare en continu la position réelle de la tige à la consigne reçue et ajuste la pression d'air jusqu'à ce que la position soit atteinte. C'est une petite boucle de régulation dans la grande : la position de tige est sa variable mesurée, le signal du régulateur est sa consigne, et sa sortie est la pression envoyée à l'actionneur.

Le comportement d'une vanne dépend aussi de sa caractéristique intrinsèque, la relation entre ouverture et capacité de passage. Deux caractéristiques dominent : linéaire et égal pourcentage (non linéaire). On choisit celle qui complète le comportement du procédé, car la caractéristique installée diffère de celle mesurée en laboratoire à pression différentielle constante.

Quand l'alimentation en air (ou en huile) d'un actionneur pneumatique ou hydraulique disparaît, un grand ressort peut ramener la vanne dans une position connue. Cette position de repli est un choix de sécurité du procédé, fait en conception et reporté sur le schéma de procédé et d'instrumentation (P&ID).

La logique est de choisir l'état le moins dangereux. À titre d'exemples de raisonnement : l'arrivée de vapeur d'un échangeur est souvent conçue pour fermer en cas de défaut afin d'éviter une surchauffe, tandis qu'une vanne d'eau de refroidissement d'un équipement qui s'échauffe est plus souvent conçue pour s'ouvrir. La décision revient au bureau d'études et à l'analyse des risques, jamais au monteur.

La position de repli se contrôle à la mise en service : on coupe l'air (ou on déconnecte le signal, selon le type) et on vérifie que la vanne va dans le sens inscrit sur le plan. Ce test est l'un des contrôles du chapitre 4.2.

Sur un schéma de procédé et d'instrumentation, les instruments sont des cercles marqués de lettres et d'un numéro. La première lettre désigne la grandeur : T pour température, P pour pression, F pour débit, L pour niveau. Les lettres suivantes désignent la fonction : T pour transmetteur, C pour régulateur (controller), V pour vanne. Ainsi, « TT-101 » est un transmetteur de température, « TIC-101 » le régulateur-indicateur correspondant et « TV-101 » la vanne de régulation. Un cercle ouvert représente un appareil monté sur site ; un trait plein qui le traverse indique un appareil situé en face avant d'un panneau, en salle de contrôle.

La norme de repérage ANSI/ISA-5.1 (payante, citée pour son objet) définit ces conventions. Sur le terrain, retrouver le numéro de repère (tag) sur l'appareil, sur le plan de boucle et dans la base de données du système de conduite est le préalable à tout contrôle : un appareil sans repère lisible est un appareil qu'on ne peut ni vérifier ni dépanner.