Automatisation des processus industriels chez Zoutman

David Boonen — Tue, 17 Jan 2023 23:04:37 +0000

L’automatisation des processus

Nombreux sont les processus mis en oeuvre aujourd’hui dans l’industrie qui accusent un retard certain par rapport à l’état actuel des technologies. Pourtant, bon nombre d’entreprises diffèrent leurs investissements dans l’automatisation des processus parce qu’elles doutent de leur rendement. Les dirigeants de Zoutman hésitaient aussi, mais une installation d’essai a eu raison de leurs dernières réticences. Dans le cas qui nous occupe, nous allons soumettre à votre appréciation l’argumentation et les hésitations de Zoutman.

Producteur de sel de premier plan, Zoutman est en pleine expansion. L’entreprise traite actuellement à 300.000 tonnes de sel par an. Cette production est très diversifiée: sel alimentaire, MARSEL^®, sel de traitement des eaux, sel d’épandage, sel agricole et d’alimentation animale, sel technique et sel de bien-être.

Limitations des vannes à bille

L’une des activités de Zoutman réside dans la production de saumure. Lors de la production de saumure, les cristaux de sel sont acheminés par un convoyeur à bande. Ces cristaux sont aspergés d’une quantité d’eau parfaitement dosée.

Il y a peu, la régulation de l’aspersion des cristaux de sel s’effectuait encore par le biais d’une série de vannes électriques et manuelles à bille. De plus, la production reposait sur l’utilisation de débitmètres visuels. En conséquence, les opérateurs passaient le plus clair de leur temps à régler le processus. Procéder à un réglage précis en agissant sur des vannes à bille n’est pas une sinécure parce que ce système est difficile à équilibrer. Les électrovannes à bille présentent une courbe caractéristique parabolique. Les déplacements de leur clapet entre la position ouverte (20 mA) et la position fermée (4 mA) respectent une courbe parabolique (voir graphique).

Courbe parabolique d’une vanne à bille

En conséquence, la recherche manuelle de la position adéquate était une gageure. Les fluctuations de l’écoulement étaient rapides, dans un sens comme dans l’autre. Au sein d’un environnement tel que l’unité de production Zoutman où l’exécution de dosages précis s’impose, ces fluctuations nécessitaient l’exécution très fréquente de corrections. Les opérateurs qui actionnent régulièrement des vannes à bille savent combien la prévention des dépassements de seuil inférieur ou supérieur est laborieuse.

Premiers pas vers l’automatisation: débitmètres électromagnétiques, puis électrovannes à membrane

L’automatisation est peut-être un terme à la mode, mais ce n’est certainement pas un concept vide de sens. Sa mise en oeuvre implique que, d’un bout à l’autre du processus, les vannes et instruments d’analyse et de mesure doivent être parfaitement adaptés les uns aux autres et communiquer, dans la mesure du possible, les uns avec les autres. Objectif: libérer les opérateurs de ces tâches contraignantes pour qu’ils puissent se consacrer à l’analyse et à la surveillance de la qualité. Chez Zoutman, l’automatisation n’était pas encore à l’ordre du jour. Le processus est difficile à normaliser et les matériaux corrosifs ont un impact majeur sur l’installation. En outre, le dosage doit être d’une précision extrême. Pourtant, les dirigeants de l’entreprise se sont gardés d’en exclure l’automatisation.

Automatisation progressive

Au cours de la première phase, les responsables se sont penchés sur les débitmètres électromagnétiques à commande électrique pour remplacer les vannes manuelles à bille. Leur choix s’est porté sur la e-Diastar, une électrovanne à membrane conçue par GF Piping Systems. Exempte de vis métalliques, cette électrovanne est exécutée en PPGF, une matière synthétique résistante aux produits chimiques. L’emploi de ce matériau exclut toute corrosion par la saumure.

Cette électrovanne dont la commercialisation est récente résout aussi un deuxième problème: la courbe caractéristique de cette vanne est quasiment linéaire. Cela signifie que toutes les positions situées entre l’ouverture et la fermeture sont opérationnelles. Cette vanne se passe de toute intervention manuelle. Les opérateurs sont en mesure de piloter leurs vannes à partir d’un ordinateur. Après avoir travaillé pendant près de 10 ans avec des vannes à bille, Zoutman entre résolument dans une nouvelle industrielle grâce au rendement très supérieur de l’installation.

Courbe sinusoïdale de la vanne de régulation eDiastar

Phase préparatoire : exploitation d’une installation d’essai pendant six mois

Ne voulant prendre aucun risque, Zoutman a pris la décision de construire une installation d’essai afin d’en étudier le fonctionnement pendant six mois. L’entreprise a fait l’acquisition d’un débitmètre et d’une vanne à bille et en a testé le fonctionnement en laboratoire. Le fonctionnement remarquable de l’installation a convaincu les dirigeants de transformer en profondeur leur chaîne de production. Le schéma en 3D ci-après illustre une vue en plongée du convoyeur à bande. Le fonctionnement des vannes à membrane et à commande pneumatique (en jaune, ci-après) et des électrovannes à membrane (en bleu) est entièrement automatisé.

Les petites têtes de teinte jaune visibles dans la région supérieure du schéma représentent autant de débitmètres électromagnétiques (GF-2551). Ces débitmètres mesurent le débit de l’eau aspergée sur le sel. Également visibles sur la photo ci-avant, ces débitmètres assurent le pilotage automatique des électrovannes à membrane (en bleu). Cette installation permet à Zoutman de procéder automatiquement aux mesures et réglages requis. De plus, la précision du dosage est dix fois plus élevée qu’auparavant

L’ancien et le nouveau

L’ancienne installation reposait sur l’utilisation de vannes magnétiques. Les vannes magnétiques présentent l’inconvénient de ne comporter qu’une seule fonction d’ouverture/fermeture.

Leur régulation est envisageable, mais elle est très compliquée. En revanche, les électrovannes permettent d’opter pour n’importe quelle position d’ouverture dans les limites de la plage d’ouverture et de fermeture complètes. C’est l’une des raisons pour lesquelles les électrovannes se prêtent à merveille à l’automatisation de processus. Leur précision de l’ordre de 1 % est devenue la nouvelle norme de référence.

Le corps des vannes magnétiques ou vannes solénoïdes qu’accueillait l’ancienne installation était exécuté en laiton. Les vis d’assemblage étaient en acier. Leur emploi n’était pas une solution idéale à long terme dans un environnement aussi agressif que l’unité de production Zoutman.

Le profil d’écoulement des vannes de la nouvelle génération l’emporte à tous points de vue sur celui des anciennes

L’automatisation vise à réduire au maximum l’intervention d’opérateur humains. Toutefois, cela signifie également que les vannes utilisées doivent être d’une fiabilité hors pair. Il est préférable que leur exploitation ne requière qu’une maintenance minimale (voire aucune). Un écoulement optimal du fluide à travers ces vannes constitue une valeur ajoutée appréciable. La simulation ci-après illustre respectivement l’écoulement régulier que l’on observe à travers la plupart des vannes (côté gauche) et l’écoulement que l’on observe à travers une vanne améliorée (côté droit).

En raison de la morphologie interne des vannes de la nouvelle génération, aucune obstruction ou presque n’entrave l’écoulement du fluide. Les formes arrondies contribuent à optimiser l’écoulement du fluide.

À l’intérieur d’une vanne ancienne (côté gauche), le franchissement incontournable d’une sorte de seuil par le fluide a tendance à provoquer des turbulences, lesquelles engendrent à leur tour une dépression. Cette situation risque de se traduire à terme par des pertes d’énergie. Dès lors, les pompes seront plus sollicitées.

Industrie 4.0: synonyme d’interconnexion de tous les composants d’une installation

Avec cette installation, Zoutman pénètre, sans tapage, dans une nouvelle ère : celle de l’Industrie 4.0. Tous les organes du processus de production de saumure sont parfaitement adaptés les uns aux autres : instrumentation, vannes manuelles, pneumatiques et électriques. Même les tubes et raccords n’échappent pas à la règle. Dans l’exemple qui nous occupe, tous les instruments de mesure et de régulation proviennent de GF Piping Systems, un producteur suisse d’articles en matière synthétique conçus pour le traitement de liquides chimiques et corrosifs.

ROI – durée d’amortissement de l’automatisation

Sans disposer de chiffres exacts à ce stade, les opérateurs au service de Zoutman font d’ores et déjà état d’un investissement récupéré à court terme. Et ce alors que la durée de vie prévisible de ces équipements est supérieure à dix ans. La sélection de matériaux résistants à la corrosion permet à ces vannes de ne jamais rencontrer les problèmes classiques auxquels sont confrontées les vannes en métal. Même lorsqu’elles sont soumises à un environnement aussi corrosif qu’un brouillard salin.

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