Rapport de PFE Licence IEEA département de physique
Automatisa Autom atisation tion d’une piscine pisci ne :commande :comma nde des pompes, dosage de PH, chauffage avec option. Automate Allen Bradley 1200C
Projet réalisé par : -Belaqziz mohamed - Elhaouari Brahim
Enc Encadré adré par :M.Che :M. Chennan nnani i
Année universitaire 2010/2011
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Som Somma mair iree :
I. Reme Remerc rcie ieme ment nt II. Introduction III. Présentations des piscines A.
Les types de piscines
B.Raccord B. Raccordement ement électrique électrique
C.La C. La pompe pompe D.La filtration E.
Traitement et désinfectant
F. Régula Régulation tion de PH PH G.Chauffage de la piscine IV. circuit de commande de la piscine V. régulation de niveau a l’aide de l’API
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I. Remerciements
Ce travail est réaliser en avril 2011 au laboratoire des système électriques et télécommunications de la FST de Marrakech Nous tenons tout d’abord à remercier monsieur SAID DOUBABI responsable de la filière LST IEEA qui a fait des efforts considérables pour la bonne marche de notre formation en licence LST IEEA. Nous voudrions exprimer nos plus sincères gratitudes à Monsieur CHENNANI qui a bien voulu assurer l’encadrement de notre projet et qui, surtout, par ses conseils et son aide précieuse, nous a guidé tout au long de notre projet de fin d’études. A l’issue de trois années au sein de la faculté des sciences et techniques de Marrakech, nous adressons nos remerciements particuliers ç Monsieur le chef de département de physique appliquée pour le dynamisme de son département ainsi qu’a toute l’équipe pédagogique qui a veillé à nous former
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II. Introduction
L’eau de la piscine est sujette à une pollution permanente et doit être changée à peu près tous les quatre ans. Durant ces quatre ans, elle doit rester saine et claire. Il est donc impératif de procéder régulièrement à trois actions principales : - La filtration pour rendre l’eau claire et éliminer les bactéries et matières organiques. - Le traitement chimique (pour désinfecter et empêcher le développement des micro algues dans le temps) avec respect d'une certaine grandeur de PH. En plus du système de filtrage et de traitement chimique, une piscine peut être équipé d'un système de chauffage pour assurer le confort et la sécurité sanitaire du client. Ces équipement sont commandés par des armoires électriques a base de relais et contacteurs, l’emploi d’un automate programmable permet de réduire le nombre des équipements électrique et faciliter l’entretien technique.
Notre travail consiste donc à faire une description fonctionnelle et opérationnelle de toutes ces procédures.
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III. Présentations des piscines A. Les types de piscines Il existe plusieurs types de piscines dot on peut citer les suivants : 1. La piscine hors-sol
Pour ce type de piscine, il n'y a pas de travail de terrassement à faire. En général les piscines hors-sol sont livrées en kit avec des accessoires, ce qui laisse la possibilité de l'installer soi-même. Les avantages des piscines hors-sol: elles sont bon marché ; elles sont mobiles; elles s'installent rapidement ; elles sont idéales pour les petits espaces.
Figure N°1 : Piscine hors sol 2. La piscine en béton
Les piscines en béton armé sont des piscines enterrées, faites sur mesure et réalisées selon les souhaits des clients par des professionnels en fonction d'un cahier des charges spécifique. L'avantage des piscines enterrées, c'est qu'elles s'intègrent bien dans le paysage du jardin contrairement aux piscines hors-sol.
Figure N°2 : Piscine en béton
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3. La piscine monocoque
Les piscines monocoques sont en résine polyester, en acier galvanisé ou en aluminium. Cet assemblage garantit une étanchéité et un bon vieillissement de la coque. Le bassin de la piscine en résine polyester est un moulage réalisé d'un seul tenant. Les avantages d'une piscine monocoque: son prix est abordable ; son installation est rapide ; sa longévité est comparable à celle d'une piscine enterrée, à condition que tout soit fait dans les règles de l'art lors de son installation.
Figure N°3 : Piscine hors sol 4. La piscine naturelle
La piscine naturelle appelée aussi piscine biologique . Les avantages d'une piscine naturelle : aucune nocivité pour la santé car elle est traité sans produits chimiques, entretien réduit, baignade en milieu naturel, Normal respect de l'environnement.
Figure N°4 : la piscine naturelle
5. La piscine à débordement : La piscine à débordement a pour principe la suppression de la margelle sur tout ou partie du bassin, l'eau se déversant directement dans un bac tampon ou dans une goulotte qui remplace le skimmer traditionnel .
Figure N°5 : la piscine à débordement
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Dans notre projet nous focaliserons notre étude sur les piscines a débordement dont le principe est présenté par la figure suivante.
Figure N°6 : schéma d’une piscine à débordement 7
B. Raccordement électrique : La partie électrique de la piscine débute depuis le tableau général et se concentre ensuite dans le Local technique où se trouve l’ensemble des équipements.
Figure N°7 : Exemple de Raccordement électrique
C . La pompe :
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Figure N°8 : exemple d’une pompe
La pompe de piscine se charge de mettre en œuvre la circulation d'eau. C'est elle qui met l'eau en mouvement afin qu'elle soit filtrée en permanence. Elle aspire l'eau par les différentes prises d'eau (skimmers, débordements, bondes, bacs tampons), la fait passer au travers d'un filtre et la réinjecte par les buses de refoulement. Les principaux critères à retenir pour déterminer la puissance d’une pompe sont : * le volume d'eau du bassin : On estime que la totalité de l'eau d'un bassin doit être filtrée en moins de 6 heures. Pour déterminer le débit de la pompe, il suffit donc de diviser le volume d'eau du bassin par 6. Un bassin de 45 m3 nécessite ainsi une pompe au débit de 8 m3/heure (45/6 = 7,5 arrondi à la valeur supérieure). * la distance entre le local technique et le bassin : Plus la distance est importante et plus la pompe devra forcer et donc être performante. * le diamètre des tuyauteries : Si les tuyauteries présentent un diamètre important, le travail de la pompe sera facilité. Un critère à minorer ou majorer en fonction du nombre de coudes installés qui sont autant de frein à la bonne circulation d'eau ! * les caractéristiques techniques du filtre : Selon les modèles (sable, cartouches, etc) la pompe devra s'adapter. * le nombre de prises d'eau et de buses de refoulement. En règle générale, le calibrage de la pompe sera réalisé en fonction du volume d'eau à traiter (45 m3 dans notre exemple précédent) que l'on majore de 20 à 30% pour tenir compte des facteurs de contraintes des autres critères. Soit pour revenir à notre exemple : une pompe de 10 à 12 m3/heure. Si la piscine est en outre équipée d'accessoires comme une cascade, un jet d'eau, le calibrage de la pompe devra en tenir compte.
D. Le filtrage Une piscine est régulièrement soumise à l’action polluante de son environnement : feuilles, insectes, poussières se déposent sur la surface de l’eau. Ces débris s’accumulent, gravitent au fond du bassin, troublent l’eau et accélèrent le développement des microorganismes: la piscine devient inapte au bain, voire dangereuse pour la santé. La limpidité est une propriété essentielle de l’eau d’une piscine, la filtration est au coeur du traitement physique anti-pollution.
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Les filtre les plus utilisés dans le marché sont : Le filtre à cartouche , Le filtre à sable, Le
filtre à diatomée
a
b
c
Figure N°9 : le filtre a cartouche(a) , le filtre à sable(b) le filtre à diatomée(c)
E. Traitement et désinfectant de la piscine Différents produits sont disponibles pour traiter une piscine. Leurs principaux effets sont d'oxyder les impuretés organiques et de détruire les champignons, les algues et les bactéries pour obtenir une eau pure et stable. Sans traitement, l'eau devient verte à cause du développement d'algues microscopiques qui la troublent. Il est donc important que l'eau conserve en permanence un pouvoir antiseptique fort. Le chlore et ses dérivés ont prouvé leur efficacité en stérilisant rapidement l'eau à faible dose. D'autres produits que le chlore sont disponibles pour traitement l'eau, eux aussi très efficaces. Ils ont pour avantage d'éviter les effets secondaires du chlore. Certains traitements sont incompatibles entre eux comme le brome et le chlore.
F. Régulation du PH de la piscine 10
Petit rappel concernant le PH Cet indicateur mesure l’activité chimique des ions hydrogènes dans l’eau du bassin. Sur une échelle de 0 à 14, le pH trouve son équilibre à 7. En dessous de 7, l’eau est dite acide alors qu’elle est dite basique au dessus de 7. Toujours est-il que l’équilibre parfait n’est pas l’objectif à atteindre dans le cadre de la piscine. Il faut notamment optimiser le taux de pH en fonction du produit désinfectant utilisé. On considère qu’un pH de piscine doit être globalement compris entre 6,8 et 7,6. Il faut respecter cette norme pour le confort des baigneurs mais aussi pour améliorer les performances d’un traitement chimique.
Les avantages du régulateur de pH Le régulateur de pH est une machine qui a le mérite de ne pas être feignante.La régulation est donc quotidienne et les éventuels écarts sont donc minimes. La correction quotidienne permet de ne pas nuire à l’équilibre de l’eau. le régulateur permet aussi de faire des économies sur les produits d’entretien dont le but est d’augmenter ou de diminuer le pH. Une intervention quotidienne nécessite peu de produit car les écarts ne seront jamais trop conséquents.
A savoir : •
Plus un pH est équilibré, plus le traitement chimique au chlore sera efficace.
•
Le régulateur de pH permet de lutter efficacement contre les algues.
•
Le régulateur de pH s’adapte avec tous les types de traitement chimique et est presque indispensable pour les traitements automatisés.
Figure N°10 : exemple d’installation d’un régulateur de PH
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G. Chauffage de la piscine Quelque soit le type de chauffage qu’on choisis pour la piscine, l’objectif reste le même pour tous, il existe donc plusieurs types de chauffage de piscine. Ainsi on distingue par exemple : •
Les chaudières :
Au fioul : Actuellement, cette solution n’est pas très prisée parce qu’elle revient très chère. Avec les augmentations du prix du fioul et vu la grande consommation de cette la chaudière en énergie.
Figure N°11 : exemple des chaudières
Au gaz : Le chauffage au gaz par l’intermédiaire d’une chaudière revient également assez cher. Avec les augmentations connues récemment du prix du gaz, les propriétaires de nouvelles piscines se voient découragés par ce choix, bien qu’il soit efficace, mais cher à l’usage.
•
Le chauffage électrique :
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Il est utilisé essentiellement pour les petits bassins, les dépenses d’électricité sont relativement élevées. Une maîtrise de la consommation est nécessaire en vue d’éviter les excès d’exploitation de cette énergie.
•
Le chauffage solaire :
Le chauffage solaire pour piscine présente l'avantage d'être écologique et économique , puisqu'il utilise une énergie renouvelable (le soleil) et ne produit pas de pollution. Même il ne chauffe pas rapidement l'eau.
Figure N°12 : chauffage par énergie solaire •
Le chauffage par pompe à chaleur :
La pompe à chaleur permet le réchauffement de l’eau de piscine toute l’année pour un coût très réduit. Pour tout type de chauffage, il est conseillé de mettre une couverture pour la piscine afin de la couvrir de l’effet d’évaporation de l’eau et garder le plus longtemps possible sa chaleur.
Figure N°13 : Pompe a chaleur
Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur :
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Figure N°14 : principe de fonctionnement d’une pompe
le choix d’une pompe à chaleur pour une piscine: On calcul la capacité de chauffage
grâce
à la formule suivante :
P = CV (T1-T2) / t Avec :
P : Puissance requise en Kw
V : Volume d’eau en m3
T1 : Température de l’eau avant chauffage (°C) – T2 : Température de l’eau souhaitée (°C)
t : coût en temps (heure)
C : coefficient, C=1,163
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IV. Automatisation de la piscine Ces équipement sont commandés par des armoires électriques a base de relais et contacteurs, l’emploi d’un automate programmable permet de réduire le nombre des équipements électrique et faciliter l’entretien technique.
Principe de fonctionnement
Le traitement à lieu en quatre phases :
Phase 1 : Gestion du système Autocontrôle de l’automate
Phase 2 : Acquisition des entrées Prise en compte des informations du module d’entrées et écriture de leur valeur dans RAM (zone DONNEE).
Phase 3 : Traitement des données Lecture du programme (située dans la RAM programme) par l’unité de traitement, lecture des variables (RAM données), traitement et écriture des variables dans la RAM données.
Phase 4 : Emissions des ordres Lecture des variables de sorties dans la RAM données et transfert vers le module de sorties fonctions, sans avoir à remplacer le matériel. La mise à jour du firmware de l’automate est très simple : il suffit d’en télécharger la dernière version par Internet.
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L’automate MicroLogix 1200 utilise le logiciel de programmation RSLogix 500 de Rockwell Software et le même jeu d’instructions que les automates MicroLogix 1000, MicroLogix 1500 et SLC.
Figure N°15 : Principe de fonctionnement d’un automate
L'automate ALENBRADLEY: Grâce à l’architecture éprouvée des automates MicroLogix et SLC, l’automate MicroLogix 1200 fournit à la fois puissance de calcul et souplesse pour répondre à un grand nombre d’applications. Disponibles en versions 24 et 40 points, il est possible d’augmenter le nombre de leurs E/S grâce à des modules d’E/S sans rack, ce qui permet de réduire le coût du système et le stock de pièces. Le système d’exploitation, dont la mise à jour s’effectue par mémoire flash, vous permet de bénéficier en permanence des toutes dernières
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Figure N°16 : automate Allen Bradley
V. Exemple de système automatisé par l’API : Régulation du niveau de la piscine à débordement La bach a eau comporte 4 sondes et la plus basse est la sonde de référence, c'est celle qui sert aux trois autre pour fermer le circuit ( on pourrait aussi l'appeler masse) - la deuxième en remontant est : la coupure moteur en cas de manque d'eau - la troisième en remontant est l'ouverture électrovanne
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- la quatrième en remontant est la fermeture électrovanne
Figure N°17 : principe de fonctionnement d’une Bach à eau
Explication : Principe de fonctionnement des sondes : Une sonde (électrode TOR (tout ou rien) pour notre cas) a son extrémité inférieure toujours immergée dans l’eau. Celui-ci est conducteur de l'électricité. Lorsque le niveau monte, l’eau arrive en contact avec l'extrémité de la deuxième sonde située plus haut. Le circuit électrique
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est alors fermé, un courant alternatif sous très basse tension passant entre ces deux électrodes. Cette variation de résistance de l'état d'isolant à l'état conducteur produit une variation de tension détectée par les entrées de l’automate qui change l'état d'un contact ou d'un signal de sortie.
Figure N°18 : Principe de fonctionnement d’une Bach à eau
Positionnement des sondes : - La sonde de référence doit être pratiquement au fond du bac - La sonde coupure moteur peut être positionnée 15 à 20 cm plus haut, l’essentielle c'est que coupure du moteur se fasse avant le désamorçage de ce dernier. - La sonde remplissage bas se règle piscine en fonctionnement sans personne dans le bassin, elle doit baigner d'une dizaine de cm, la quatrième est réglée bassin à l'arrêt sans personne dedans elle doit correspondre au niveau d'eau maximum que doit contenir la bach a eau pour fonctionner Mise en route et explication :
A la mise en route de la piscine on va la remplir jusqu'à ce qu'elle déborde. Ensuite on ouvre notre arrivée d'eau de régulation de niveau. Notre bac tampon se remplit automatiquement jusqu'à dépasser le niveau de remplissage (arrêt de électrovanne). Notre système est à l'équilibre statique (piscine pleine, tampon plein). On met maintenant la pompe en marche. Le réservoir va se vider un peu, provoquant une baisse de niveau et une ouverture du remplissage (marche de l’électrovanne). Peu de temps après, l'eau prélevée par la pompe arrive dans la piscine, celle si déborde de la quantité d'eau amenée, qui retourne au bac tampon. Très vite, le système va s'équilibrer. La quantité d'eau prélevée dans le bac sera
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exactement la même que celle qui reviendra au bac. On est en équilibre dynamique.
1er cas : -Si un baigneur se jette à l'eau, il vient "perturber" l’équilibre et un volume d'eau correspondant au volume de ce dernier est chasser de la piscine, déborde et se retrouve dans le bac. Le niveau dans le bac a augmenté d'une hauteur h, tel que h*S (surface du bac) = Volume du baigneur. Le système est à nouveau à l'équilibre et tout va bien. Lorsqu'il va sortir de l'eau le niveau de la piscine va baissée et ne déborderas plus. Le bac n'est donc plus alimenté par le débordement et la pompe va le vider. Lorsque la pompe aura prélevée dans le bac tampon, le volume du nageur, la piscine se remettra à déborder et retrouveras son équilibre de départ.
2éme cas : Si beaucoup de nageur se jette à l'eau, notre bac ne pourras pas "tout encaisser" et va déborder. Le trop plein est utiliser pour l’arrosage (ou d’autre utilisation). Lorsqu'ils vont sortir de l'eau il va manquer beaucoup d'eau dans la piscine. la bach a eau va se vider (car le débit de la pompe est bien supérieur au débit du système de remplissage). La sécurité basse arrêteras la pompe, le temps que l'eau remonte un peu. Petit à petit le système va retrouver son premier équilibre. Il faut donc qu’on calcule le volume utile de notre bac tampon pour l'utilisation "de routine" qu’on prévoit pour la piscine, c'est à dire le volume des baigneurs habituels. Evidement, plus il est grand, et moins on as le risque de perdre de l'eau.
Programmation de l’automate : Exemple de Grafcet pour tester
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l’automate : RSlogix pour la programation :
Création du projet Pour créer un nouveau projet a partir du menu fichier > Nouveau Dans la liste qui s’affiche on choisis la CPU de l’automate Configuration des entrées sorties On clique sur l’icône configuration des E/S dans la fenêtre projet Dans la fenêtre qui s’affiche, on choisis grâce au menu déroulant a gauche le rack (chassis) correspondant a l’installation Edition du programme
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Figure N°19 : édition d’un programme sous RSlogix
Adressage des variables
Circuit électrique de la pompe Exemple : pompe triphasé :
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Isoler le circuit Circuit de puissance
Circuit de commande
L1 L2 L3 Q2
Protéger contre les C.C. Alimenter ou couper le moteur
Le sectionneur
Le contacteur
KM1
Sortie automate
Q2
F1
F1
Protéger le moteur contre les surcharges
Le relais thermique
KA10
M
3
KA10
P : 0,155 kW Un : 400 V N : 1500 tr/min
KM1
Défaut
Contacteur
Ventilateur
La pompe
Trans former l’énergie électrique en énergie méca.
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Conclusion :
Ce projet nous a permis d’appliquer les connaissances qui nous ont été inculquées au cours de notre parcours scolaire en licence IEEA à la faculté des sciences et technique de Marrakech, II nous a permis ainsi de mieux maîtriser l’utilisation de l’automate et de nous initier à la recherche dans une optique éventuelle de poursuite d’études dans ce domaine (automatisme). Nous avons été confrontés à de nombreux problèmes et dans la plupart des cas nous avons pu trouver une solution alternative afin de les résoudre partiellement. Enfin ce projet aura été l’occasion de découvrir et d’utiliser des outils dont nous n’avions pas la moindre idée de leurs existences.
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Bibliographie :
http://www.piscines-online.com http://www.piscines-hydrosud.fr http://www.mypiscine.com http://www.piscine-center.net http://piscine4.free.fr http://www.construire-sa-piscine.com
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Annexe
Prix et Nom de quelques régulateurs
Nom du régulateur
Prix
Régulateur : ph sppedy
2500 Dh Régulateur pH : REGULUS
4500 Dh Régulateur de pH O'Clair
4000 Dh Régulateur de PH : PH first Zodiac
5000 Dh
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Langage à contacts Structure d’un programme : Un programme en langage à contacts est composé d’une suite
de
réseaux de
contacts
exécutée
de
façon
séquentielle par l’automate : Dessiné entre deux barres de potentiel, un réseau est un ensemble d’éléments graphiques représentant : · les entrées/sorties de l’automate (boutons-poussoirs, détecteurs, relais, voyants...), · des fonctions d’automatismes (temporisateurs, compteurs...), · des opérations arithmétiques, logiques et spécifiques, · Les variables internes de l’automate. Ces éléments graphiques sont reliés entre eux par des connexions horizontales et verticales.
Langage GRAFCET Le GRAFCET est une représentation graphique qui permet la transcription du fonctionnement d’un système automatique. Il prend en compte les entrées et les sorties, et définit le comportement séquentiel du système. L’étape correspond à une situation élémentaire ayant un comportement stable. Une transition indique la possibilité d’évolution d’une étape à l’étape suivante. A chaque transition, on associe une, ou des conditions logiques qui traduisent la notion de réceptivité .
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Les logiciels de programmation Marque Télémécanique
ALENBRADLEY SIEMENS
Automate TSX Nano TSX 3708,TSx22 TSX Premium SLC 500 Micrologix 1200 Serie 5:S5 Serie 7:S7
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Logiciel Pl707 Pl7- micro Pl7 junior APSF RsLogix 50 Step 5 Step 7
