Faculté Privée des Sciences de Gestion et de Technologie de Mégrine
RAPPORT DE PROJET DE FIN D’ETUDES Présenté en vue de l’obtention du diplôme national d’ingénieur (Génie informatique) Spécialité : Informatique Industrielle
Etude d’un système de gestion des protections incendie d’une turbine à gaz à base de l’automate Siemens S7300 Réalisé par : JOMAA Salwa
Encadré par : CPC : M. BOUWAZRA Rachid UPES : M. Ben Sassi Hammadi
Société d’accueil Carthage Power Company
Année Universitaire 2011/2012
u terme de ce travail je tiens à exprimer mes vifs remerciements spécialement à mes encadreurs
et
pour leur encadrement et
leurs conseils judicieux tout aux long du projet. Je tiens à remercier tous ceux qui m ont aidé à réaliser ce projet :
chef de
département exploitation dans la centrale CPC,
facility operator,
Coordinateur control control commande commande au sein de la centrale centrale CPC,, Shift coordinateur dans la centrale CPC, coordinateur dans la centrale CPC,
Shift
technicien en électricité,
technicien en instrumentation, pour leur collaboration dans la réalisation de ce travail. Nous remercions particulièrement les membres de jury pour avoir accepté d’examiner et de juger ce travail. A tous ceux qui ont participé de prés ou de loin à la réalisation de ce travail qu’ils trouvent tous ici la témoignage de notre profonde gratitude
Que nulle dédicace ne puisse exprimer ce que je leur dois, pour leur bienveillance, leur affectation et leur soutien dont ils ont toujours fait preuve. Trésors de bonté, de générosité et de tendresse, en témoignage de mon profond amour et ma grande reconnaissance reconnaissance « Que Dieu Dieu vous garde »
Je leur dédie ce modeste travail en témoignage de mon grand amour et ma gratitude infinie.
Je leur dédie ce projet de fin d’étude et je les prie d’agréer l’assurance de mes meilleurs sentiments les plus sincères.
CPC/UPES
Liste des figures
So m m a i r e
Introduction générale ………………………………………………………….…………..
1
Cahier de charge …………………………………………………………………………...
3
Chapitre 1 : Contexte du projet ………………………………………………………….
4
I.1. Introduction…………………………………………………………………………
5
I.2.1. Organigramme de la centrale………………………………………………….
6
I.2.2. Données technique de la centrale……………………………………………….
6
I.2.3. Cycle de production de la CPC ………………………………………………...
7
I.2.4. Description d’une turbine à gaz………………………………………………...
8
I.3. Description du système de protection incendie de la turbine à gaz………………...
9
I.3.1. Description de l’armoire de la protection incendie MINIMAX FMZ4100……
10
I.3.2. Principe de fonctionnement du système de protection incendie……………….
16
I.3.3. Principe de fonctionnement de détecteur thermostatique………………………
17
I.3.3.1. Seuil de déclenchement des détecteurs thermostatique…………………...
18
I.3.4. Points faible du système de protection incendie………………………………..
18
I.3.5. Solution proposées……………………………………………………………...
19
I.3.5.1. Principe de fonctionnement du thermocouple…………………………….
20
I.3.5.2. Alarmes déclenchés………………………………………………………..
23
Conclusion……………………………………………………………………………………
23
Chapitre II : Chaine d’acquisition …………………………………………………………
24
II.1. Introduction…………………………………………………………………………
25
II.2. Automate Siemens Simatic S7300………………………………………………….
25
II.2.1. Avantages S7300……………………………………………………………......
25
JOMAA Salwa
Liste des figures
CPC/UPES
II.2.2. Compositions de l’automate S7300…………………………………………….
26
II.2.3. Caractéristiques du CPU 312C…………………………………………………
27
II.2.4. Interface de communication PC-API…………………………………………..
28
II.2.5. Choix des modules……………………………………………………………...
28
II.2.5.1. Caractéristiques des modules d’entrées/sorties……………………………
29
II.3. Programmation de l’automate S7300……………………………………………….
33
II.4. Le logiciel de programmation STEP 7……………………………………………...
34
II.5. Programmation du système de protection incendie de la turbine à gaz…………….
35
II.5.1. Paramétrages des modules analogiques………………………………………..
36
II.5.2. Gestion des mnémoniques……………………………………………………...
39
II.5.3. Description di programme utilisateur…………………………………………..
43
II.5.4. Acquisition des données………………………………………………………...
44
II.5.4.1. Acquisition des paramètres de la température……………………………..
44
III.5.4.2. Acquisition des paramètres de la pression………………………………..
48
II.5.5. Configuration des alarmes……………………………………………………...
49
II.5.5.1. Alarmes défaut système CO2……………………………………………...
49
II.5.5.2. Alarme défaut mesure température………………………………………..
50
II.5.5.3. Température haute…………………………………………………………
51
II.5.5.4. Pré-alarme feu…………………………………………………………….
52
I.2.5.5. Alarme activation des électrovannes………………………………………
52
Conclusion……………………………………………………………………………………
53
Chapitre III : Etapes de mise en service des solutions proposée ………………………...
54
III.1. Introduction………………………………………………………………………..
55
III.2. Interface de supervision avec WINCC……………………………………………..
55
JOMAA Salwa
Liste des figures
CPC/UPES
III.2.1. Description du logiciel de supervision WINCC……………………………….
55
III.2.2. Supervision sous WINCC……………………………………………………...
55
III.2.2.1. Intégration du projet Step7………………………………………………..
55
III.2.2.2. Création des vues…………………………………………………………
57
III.2.2.3. Création de la table de variable…………………………………………...
57
III.2.2.4. Navigation entre les vues…………………………………………………
58
III.2.2.5. Réalisation de l’interface de supervision du système de protection
58
III.3. Réalisation d’un simulateur du système de protection incendie (bac d’essaie)……
64
III.3.1. Choix des matériels…………………………………………………………….
64
III.3.2. Câblage des matériels dans l’automate S7300…………………………………
67
Conclusion…………………………………………………………………………………….. 67
JOMAA Salwa
CPC/UPES
Liste des figures
L i st e d e s a b r é v i a t i on s : CPC
Carthage Power Company
MPI
Multi Point Interface
PEW
Périphérique Entrée Word
AI
Analog input
S7-PLCSIM
Simulateur
FC105
Bloc de mise en échelle
M OB MW MD CPU TOR HMI
JOMAA Salwa
Memory (Zone de mémoire) Organisation bloc Mot (16 BITS) Double mot (32 BITS) Central Processing Unit Tout ou rien Human machine interface
CPC/UPES
Liste des figures
L i s t e d e s f i g u r es : Figure I.1 :
Cycle de production de la centrale
8
Figure I.2 :
Schéma d’une turbine
9
Figure I.3 :
Vue de face de l’armoire incendie
10
Figure I.4 :
Architecture de l’armoire de détection incendie
14
Figure I.5 :
Emplacement des détecteurs thermostatiques dans la turbine à gaz
17
Figure I.6 :
Schéma de détecteur thermostatique
17
Figure I.7 :
Schéma d’un thermocouple
21
Figure I.8 :
Forces électromotrices en fonction de la température d’un
22
Figure II.1 :
Automate S7300
26
Figure II.2 :
Composition du CPU 312C
27
Figure II.3 :
CPU 312C
27
Figure II.4 :
Interface de communication API
28
Figure II.5 :
Schéma de branchement et de principe des thermocouples
30
Figure II.6 :
Exemple du câblage des thermocouples dans un module SM331
31
Figure II.7 :
Schéma de branchement et de principe d’un transducteur de mesure à
32
2 et 4 fils
Figure II.8 :
Schéma de branchement et de principe du SM323
33
Figure II.9 :
Création du projet sur STEP7
35
Figure II.10 :
Choix des modules
36
Figure II.11 :
Adresses du premier module AI8X12 bit
37
Figure II.12 :
Adresses du deuxième module AI8X12 bit
37
Figure II.13 :
Configuration des entrées du module
38
JOMAA Salwa
CPC/UPES
Liste des figures
Figure II.14 :
Adresses des modules AI8X13 bit
38
Figure II.15 :
Configuration des types de mesures
39
Figure II.16 :
Gestion des mnémoniques
40
Figure II.17 :
Schéma de bloc de mise à l’échelle de fonction FC105
45
Figure II.18 :
Acquisition des valeurs du thermocouple avec la fonction FC105
46
Figure II.19 :
Chargement de la fonction FC105
46
Figure II.20 :
Courbe de température en fonction de la valeur numérique du FC105
47
Figure II.21 :
Chargement de la fonction FC105
48
Figure II.22 :
Courbe de pression en fonction de la valeur numérique du FC105
48
Figure II.23 :
Programmation alarme défaut système CO2 zone 2
50
Figure II.24 :
Alarme défaut mesure température palier 4 zone 2
51
Figure II.25 :
Alarme température haute palier 4 zone 2
51
Figure II.26 :
Pré-alarme feu zone 2
52
Figure II.27 :
Activation des électrovannes CO2 zone 3
53
Figure III.1 :
Intégration du projet Step7 dans WINCC
56
Figure III.2 :
Liaison avec l’automate S7300
56
Figure III.3 :
Exemple des variables utilisés dans WINCC
58
Figure III.4 :
Architecture des vues de supervision
59
Figure III.5 :
Vue initiale avant de connaitre l’identité d’utilisateur
59
Figure III.6 :
Vue initiale
60
Figure III.7 :
Vue de supervision principale de système de protection incendie
61
Figure III.8 :
Vue de supervision principale de systéme de protection incendie
61
Figure III.9 :
Vue de forçages des variables
62
Figure III.10 : Exemple des courbes de température des 4 thermocouples de la zone3 63
JOMAA Salwa
Liste des figures
CPC/UPES
Figure III.11 : Exemple des courbes de pression dans les 3 zones CO2
64
Figure III.12 : Potentiomètres 2.5 K Ω
65
Figure III.13 : Schéma de branchement et de principe de sonde thermique
65
Figure III.14 : Schéma de câblage de potentiomètre dans le module SM331
67
JOMAA Salwa
Introduction générale
CPC/UPES
Introduction générale
Chaque année, des dizaines des personnes sont directement ou indirectement victimes d'un incendie. Les brûlures peuvent être considérées comme étant les lésions les plus graves susceptibles de marquer un être humain. Un grand nombre des personnes sont également victimes d'intoxication par la fumée lors d'un incendie. De plus, du point de vue émotionnel, un incendie laisse aussi des séquelles chez les personnes concernées, lesquelles ont souvent besoin de beaucoup de temps pour les assimiler.
Pour une entreprise, un incendie peut avoir des conséquences catastrophiques. Parfois, un redémarrage des activités de l'entreprise n'est financièrement pas possible en raison de la perte de sa position sur le marché, provoquée par un arrêt forcé de ses activités. Un incendie porte également toujours préjudice à l'environnement. Chaque incendie a en effet une incidence sur l'environnement suite au dégagement de produits de combustion toxiques et à la propagation de résidus de l'incendie dans l'environnement. Les dommages matériels de l'ordre des plusieurs millions sont aussi une catastrophe pour beaucoup d'entreprises frappées d'un incendie.
Le préjudice économique suite à un incendie est considérable. Les montants concernent uniquement les dommages directs estimés résultant d'un incendie. Le préjudice économique indirect est souvent plus élevé. Pensez par exemple au préjudice économique suite à la perte des outils de production et des stocks, aux coûts salariaux, aux coûts d'intervention des services d'incendie, aux coûts de déblaiement, aux coûts de réorganisation et de reconstruction, etc. L'ampleur du préjudice économique indirect est inconnue, mais peut être un multiple des dommages directs.
Une bonne sécurité incendie est dans l'intérêt de tous. Incontestablement dans le cas de grands projets où certains aspects financiers peuvent être intéressants, étant donné que la sécurité incendie peut contribuer à réduire le montant des primes réclamées par les assurances. Mieux vaut prévenir que de devoir éteindre un incendie!
La sécurité des systèmes est devenue un point essentiel lors de leur conception et de leur exploitation tant pour des questions de sureté de fonctionnement, que de question de JOMAA Salwa
Page 1
Introduction générale
CPC/UPES
rentabilité. Un plan de sécurité mal adapté à un système peut également conduire à une situation critique, dangereuse aussi bien pour les personnes que pour les matériels et l’environnement. Les systèmes ne représentant pas de risques physiques en cas de dysfonctionnement entrainent un surcout d’exploitation non négligeable pour l’entreprise.
C’est la raison pour laquelle la CPC (Carthage Power Company)
a proposé la réalisation
d’une étude de gestion de système de protection incendie de la turbine à gaz pour extraire les défaillances du système existant. Et mettre en place des solutions pour minimiser l’apparition de tous les risques.
Pour la présentation de notre travail, nous avons articulé notre rapport en trois chapitres génériques : ♦
Le premier chapitre, est consacré au contexte de projet dans lequel nous avons fait
une présentation de la société d’accueil, une description du système de protection incendie dans la turbine à gaz avec tous ces points faibles et finalement une proposition des solutions de tous ces différents problèmes. ♦
Le second chapitre est dédié à la programmation de notre système sur STEP7.
Nous y présentons les différentes étapes pour la réalisation de notre programme. ♦
Le dernier chapitre évoque les trois parties nécessaires pour la mise en œuvre
pratique de notre travail qui sont les suivantes : le développement d’une interface pour la supervision de notre application, la simulation, et la validation.
Une conclusion générale et des perspectives marqueront la fin de notre manuscrit.
JOMAA Salwa
Page 2
Introduction générale
CPC/UPES
Cahier de charges
Notre projet intitulé «Modernisation du système de protection et de contrôle commande d’une cellule de départ moteur moyenne tension » consiste à élaborer une application qui a
pour objectif de faire la supervision et le contrôle en temps réel des paramètres de système de la protection incendie.
Notre travail est subdivisé en deux parties : partie programmation sur STEP7 et partie supervision sur WINCC.
La première partie consiste à concevoir un programme
répondant aux fonctions
principales du système de la protection incendie installé dans une turbine à gaz en utilisant STEP7. Le programme ainsi développée doit permettre la : - Suivie en temps réel des paramètres de température dans les différntes zones de laturbine à gaz. - Suivie en temps réel des paramètres de pression dans les différents racks CO2 de trois zones de protection incendie. - Gestion des alarmes du système.
Dans la deuxième partie, on utilisera WINCC qui consiste à superviser et à surveiller notre système.
JOMAA Salwa
Page 3
Contexte de projet
CPC/UPES
Ch a p i t r e 1 : Co n t ex t e d u p r o j et
JOMAA Salwa
Page 4
Contexte de projet
CPC/UPES
I- Contexte du projet I.1. Introduction : Afin de mettre le projet dans son contexte, il est indispensable tout d’abord de donner un petit aperçu sur l’entreprise d’accueil. Ainsi, une description du système de protection incendie dans la turbine à gaz avec ses différentes problématiques.
I.2. Présentation de la centrale : Carthage Power Campany (CPC) est une société à responsabilité limitée (SARL), elle a été fondée en 1996 suite d’un appel d’offre lancé par le ministère de l’industrie. Elle a été construite par ALSTOM, dont le capital est partagé en 2 actionnaires : - 60% détenus par BTU (BRITH THERMAL U NIT Power Company) - 40% restant par MARUBENI (Maison de commerce Japonaise) CPC est le premier producteur privé d’énergie électrique en Tunisie qui assure 23% de la production nationale d’électricité (la STEG est considéré son unique client en électricité et son unique fournisseur de gaz). CPC s’est fixé une mission d’envergure à savoir être à la hauteur des attentes de la Tunisie en termes de fiabilité dans le domaine de la production efficace et non polluante suite à sa conscience de son rôle majeur au sein de la société et de la responsabilité environnementale.
JOMAA Salwa
Page 5
Contexte de projet
I.2.1.
CPC/UPES
Organigramme de la centrale : Plant Manager
EC&I Manager
Chemical Manager
TO Mechanical Coordinator
Technical Office Manager
Mechanical Maintenance
Operation Manager
TO Electrical Coordinator
TO Instrum. Coordinator
Shift Coordinator
Facility Operator
Field Operator
I.2.2.
Données techniques de la centrale :
La centrale Carthage Power Company est une centrale à cycle combiné : 1VEGA 209 E 2P AF 1 VEGA
Nombre de tranche identique Vapeur et gaz
2
Nombre de turbine à gaz
9E
Type de la turbine à gaz
2P
Cycle eau / vapeur
AF
Feux additionnels
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Page 6
Contexte de projet
I.2.3.
CPC/UPES
Cycle de production de la CPC :
La CPC est une centrale électrique thermique à cycle combiné comprend deux turbines à gaz (TG1A et TG1B) de puissance 115 MW chacune, construites par General Electric-Energy GE, deux chaudières de récupération (Heat Recovery Steam Generator : HRSG) construites par Aalborg et une turbine à vapeur de puissance 240 MW construite par ALSTOM, CPC a une production d’énergie électrique totale environ 471MW. La cycle de production est débutée par un compresseur d’air, son rôle est d’emmener l’air filtré puis le compresser dans des chambres de combustion (14 chambres de combustion) dans lesquelles des injecteurs introduisent le combustible principal (gaz ou gas-oil) et grâce à la présence de deux bougies l’allumage s’effectue pour nous donne un gaz très chauds permet la rotation de l’arbre de la turbine à gaz. Cette dernière est couplée avec un générateur électrique (alternateur) qui produit finalement de l’électricité. Ces gaz chauds deviennent des gaz d’échappement après leur passage par la turbine où ils permettent de chauffer l’eau déminée provenant de la station de traitement d’eau à l’aide d’un feu additionnel au niveau d’une chaudière pour qu’elle le transforme en vapeur. Ce dernier permet d’actionner une turbine à vapeur couplée avec son alternateur qui produit l’électricité. La vapeur sortant de la turbine à vapeur, passe dans un condenseur qui est refroidie par le circuit eau de mer (CRF) pour être de nouveau réinjectée dans la chaudière. Le schéma ci-dessous représente le cycle de production de l’énergi électrique dans le central.
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Page 7
Contexte de projet
CPC/UPES
Figure I.1 Cycle de production
I.2.4.
Description d’une turbine à gaz :
Le groupe thermique tel qu’il est conçu pour la plupart des installations, se compose d’une turbine à gaz à un seul arbre en cycle simple prévu pour un fonctionnement continu et destiné à entrainer un alternateur. La combustion d’un mélange air-combustible sert à produire la puissance nécessaire à entrainer l’arbre du compresseur et principalement l’alternateur. La turbine de compose d’un dispositif de démarrage (moteur de lancement), des auxiliaires (pompes à huile, convertisseur de couple,…), d’un compresseur axial, d’un système de combustion et d’une turbine à trois étages. Comme le montre le schéma ci-dessous, le compresseur et la turbine sont reliés par un arbre unique, supporté par trois paliers.
JOMAA Salwa
Page 8
Contexte de projet
CPC/UPES
Figure II.2 Schéma d’une turbine
I.3. Description du système de protection incendie de la turbine à gaz : Le système de la protection incendie dans la turbine à gaz est basée sur l’injection du CO2 en cas d’un incendie. Ce système est conçu pour éteindre l’incendie en réduisant rapidement la teneur en oxygène de l’air dans le compartiment à moins du 15%.Quelques seconde après le signal en provenance de détecteurs, une injection massive de CO2 est fournie par le système de décharge initiale dans les compartiments de la machine afin d’atteindre rapidement la concentration nécessaire à l’extinction. Cette concentration est maintenue pendant une période plus ou moins longue par le système de décharge prolongée qui apporte graduellement une quantité supplémentaire de CO2. Le système de protection incendie dans la turbine à gaz est contrôlé et commandé à l’aide d’une armoire de détection incendie FMZ 4100. Cette armoire regroupe un ensemble des équipements de détection et d’extinction incendie qui est constitué de : -
Des détecteurs thermostatiques situés dans les différentes zones de la turbine.
-
Des brises de glace
-
Des sirènes
-
Un rack CO2 constitué par : des bouteilles CO2 (forment deux circuits : circuit d’émission initiale et circuit d’émission de maintien, chaque circuit est isolé par une vanne équipé par un contact de fin de course surveillé par l’armoire
JOMAA Salwa
Page 9
Contexte de projet
CPC/UPES
incendie), Pressostat, des électrovannes pilotes qui ouvrent les bouteilles CO2 et commandent la décharge, sont situés sur des têtes de décharge au niveau du groupe des bouteilles, elles sont automatiquement commandées par un signal électrique. Chaque perturbation au niveau du systéme, un message est affiché sur l’armoire qui indique la nature de défaut ou d’alarme avec une signalisation lumineux dans la zone de défaut.
Affichage du message d’alarme
(Voir figure I.3)
Signalisation lumineux
Figure III.3 Vue de face de l’armoire incendie
I.3.1.
Description de l’armoire de la protection incendie MINMAX
FMZ 4100 : La centrale de détection d’incendie FMZ 4100 est une centrale programmable, commandée par microprocesseur, permettant l’analyse et le contrôle de groupes de détecteurs et de boucles de commande, ainsi que l’activation d’installations d’extinction et d’un système de transmission. Les groupes sont concentrés sur de cartes linéaires. Le type de base d’une carte linéaire comprend :
JOMAA Salwa
Page 10
Contexte de projet
CPC/UPES
•
4 groupes pour raccorder des détecteurs automatiques.
•
4 groupes pour raccorder des détecteurs transmettant des contacts.
•
4 groupes pour raccorder des lignes primaires à surveiller avec possibilité d’activer des dispositifs d’alarme et des dispositifs de déclenchement électromécaniques.
D’où la possibilité d’analyser et de surveiller jusqu’à 12 lignes primaires avec une carte linéaire intégralement occupée. La totalité des cartes enfichables du système FMZ4100 sont en format DIN. Un connecteur standardisé 64 broches les relie au circuit principal, qui renferme toutes les lignes d’alimentation. Chaque carte comporte 8 boucles de détection (pour la détection d’incendie et le contrôle). Ces boucles sont subdivisées en boucles de détecteurs automatiques et de détecteurs à contact (boucle zener). Ilya 4 sorties de commande pour le contrôle et le déclenchement du systéme d’extinction. Pour que les blocs soient fonctionnels, nous avons : •
4 boucles de détecteurs automatiques
•
1 boucle de déclencheurs manuels
•
2 boucles de contrôle du système d’extinction
•
4 sorties de déclenchements et de contrôle des composants du systéme d’extinction
Et pour la transmission des événements et des états est possible par la connexion de 8 relais. Ses fonctions sont comme suit : •
•
4 relais « feu »pour les bouucles de détecteurs automatiques 1 relais « commande manuelle » pour la boucle de déclencheurs manuels
•
1 relais « emission »
•
1 relais de dérangement général de la zone d’extinction
Le contact de porte intervient dans la commande par les cartes de connexion des sorties de commande (MVA4). Aucune extinction n’est activée si la porte de la centrale est ouverte, en revanche, l’ouverture de cette porte pendant une extinction déjà commencée reste sans effet. Pour que le central de détection surveille du bon fonctionnement du système, une tension JOMAA Salwa
Page 11
Contexte de projet
CPC/UPES
constante régulée de 9V est envoyé aux groupes. Donc l’alarme, la rupture de fil et le court circuit sont détectés via les modifications de la tension à l’intérieur du groupe. La tension de celui-ci est envoyée à un convertisseur analogique numérique, puis le comparée par le microprocesseur avec les paramètres programmée pour l’alarme, la rupture fil et le court circuit de chaque groupe. Et pour la surveillance des groupes, il existe deux types de câblage de circuit des groupes, soit un circuit avec résistance ou un circuit avec diode zener. Nous avons traités un exemple de calcul de tension pour chaque circuit. Pour le circuit avec résistance qui se trouve dans le câblage des détecteurs thermostatiques et des sirènes :
470 Ω
1,8 Ω
9V
Pour le fonctionnement normal, la tension au niveau du central est 9V. U = R*I I = U/R → I
= 9/ (1,8 * 10^3)
I = 5.10^-3 A
En cas du contact fermé : U = Req * I
→ Req
= R1 * R2/ (R1 + R2)
I = U/ Req I = 24 10^-3 A
En cas du court circuit : U=0
JOMAA Salwa
Page 12
Contexte de projet
CPC/UPES
Pour le circuit avec diode zener qui se trouve dans le câblage des brises de glace, des pressostat et des électrovannes : 2,7 VDC 4,3 VDC
U
Pour le fonctionnement normal , la tension envoyée à l’armoire est: U = 4,3 V
En cas d’alarme : U = 2,7 V
En cas du court circuit : U = 0V
En cas du rupture de fil : U = 5,5 V Le schéma ci-dessous décrit l’architecture de l’armoire de detection incendie.
JOMAA Salwa
Page 13
Contexte de projet
CPC/UPES
s e é r t n e 6 1 : 1 / 8 K A L
Ω 0 7 4
Ω K 8 , 1
Siréne
e n g i l n o i t s e g e d e t r a c : K L
e l a r t n e c é t i n U R K Z
MVA4
IF2 : Carte interface
RK1 : Relais
RK8/Z : carte relais
Relais ventilateurs
Electrovanne
SPEVR : carte d’alimentation
MVA4
Speed Tronic
RK8/Z LAK 8
Figure IV.4 Architecture de l’armoire de détection incendie LAK8 : c’est une carte d’entrée, elle représente la liaison entre l’armoire et l’installation. Elle comporte un bornier pour raccorder 8 boucles de détection (boucles aves résistances) et un bornier pour raccorder 8 boucles de contacts secs (boucle avec diodes zener).
LK : c’est une carte de ligne. ZKR : c’est la carte centrale comporte également les fonctions suivantes : -
Convertisseur analogique/numérique pour contrôler le courant.
-
Horlôge secourue par pile incorporée en cas de défaut d’alimentation ou lorsque la carte est retirée du tableau.*
-
Génération des tensions de référence 5 V et 9 V.
MVA4 : Carte sortie 24 V pour alimenter les sirénes et les électrovannes. SPEVR : c’est une carte de distribution de l’alimentation. JOMAA Salwa
Page 14
Contexte de projet
CPC/UPES
RK8 : c’est une carte relais comporte 8 relais, reliée à la carte d’extinction. RK1 : c’est une carte relais prend le contact de porte et fournit deux contacts secs inverseurs. Un contact donne 24V au module des zones et l’autre 0V aux sorties de commande (électrovannes) qui ne doivent pas activées si la porte est ouverte. Les schémas ci-dessous représente la disposition de ces différents carte au niveau l’armoire incendie.
SPEVR R R K K8
LAK 8
MVA4
R K K1
Cartes LK
Carte ZKR
Carte IF2
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Page 15
Contexte de projet
I.3.2.
CPC/UPES
Principe de fonctionnement du système de protection
incendie: Le système de déclenchement CO2 est effectué par l’armoire incendie. Plusieurs cas peuvent le déclenché :
1- Si un détecteur de chaque boucle de la même zone est activée c.à.d. un signal est envoyé à l’armoire incendie lors de l’activation d’un détecteur de la première boucle, une pré-alarme feu est affiché et la confirmation ne se fait que lors de l’activation d’un deuxième détecteur de la deuxième boucle, dans ce cas une alarme feu est apparait au niveau de l’armoire. La figure I.5 montre l’emplacement des détecteurs thermostatiques dans les différentes zones de la turbine à gaz.
2- Si un brise de glace est activé, un signal est envoyé à l’armoire incendie qui indique une feu est déclenché dans la zone.
3- Déclenchement d’un pressostat situé sur le circuit de l’émission de maintien de chaque rack CO2 permet d’envoyé un signal aussi à l’armoire incendie qui indique le passage du CO2. Ces trois cas ont les mêmes conséquences, dés qu’une alarme feu apparait au niveau de l’armoire incendie : -
les sirènes de la zone concernée seront activées
-
Une alarme feu est envoyée au speedtronic (automate de la turbine à gaz) qui va triper la turbine et fermer les vannes d’alimentation en combustible.
-
Un signal est envoyé au CCM pour stopper les moteurs ventilateurs.
-
Après 30 s, les deux électrovannes de chaque zone CO2 seront excitées. Ceci provoque le déclenchement de système CO2 (Emission initiale et émission de maintien).
-
Le pressostat situé sur le collecteur de l’émission de maintien confirme le passage de CO2 à l’armoire incendie.
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Page 16
Contexte de projet
CPC/UPES
88 BT-1
45 FA
45 FA
45 FA 1B
45 FA 2B
88 BT-2
88 EF
88 VG
45 FT 1A
45 FT 9A
45 FT 1B
45 FT 9B
Zone 1
45 FT 2A
45 FT 3A
45 FT 2B
45 FT 3B
45 FT 8A
45 FG
45 FG 20
45 FT 8B
45 FT 9B
45 FG 21
Zone 2
Zone 3
Figure V.5 Emplacement des détecteurs thermostatique dans la turbine à gaz
I.3.3.
Principe de fonctionnement des détecteurs thermostatique :
Le détecteur thermostatique passe en alarme lorsqu’il détecte une température supérieure à un seuil prédéterminer. Ces détecteurs fonctionnent sur le principe de bilame du fer à repasser (deux lames s’échauffent différemment) et qui établissent un contact lorsque le seuil de la température est atteint.
Figure VI.6 Schéma d'un détecteur thermostatique
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Contexte de projet
CPC/UPES
I.3.3.1. Seuil de déclenchement des détecteurs thermostatique : Lieu
Seuil
Compartiment des auxiliaires
127 °F (52,77 °C)
Compartiment turbine
600 °F (315,55 °C)
Compartiment de puissance
600 °F (315,55 °C)
Tunnel
950 °F (510 °C)
Palier 4
127 °F (52,77 °C)
Palier 5
127 °F (52,77 °C)
Zone 1
Zone 2
Zone 3
I.3.4.
Points faible du système de protection incendie :
Vu l’importance du système de protection incendie sur la disponibilité de la centrale et la protection des personnels. Un incendie ou une fausse alarme peut avoir des conséquences catastrophiques qui peuvent provoquer un arrêt forcé de la production ainsi qu’une grande perte financière. Il existe des défaillances au niveau du système de protection incendie installé dans la turbine à gaz qui sont les suivants: •
Défaillance de détecteurs thermostatique : lors d’une élévation réelle de la température il y a un risque que le détecteur thermostatique ne réagit pas vu qu’il est toujours au repos donc il y a la possibilité que son contact ne se ferme pas.
•
Aussi il y a coupure au niveau du fil de l’alimentation du détecteurs, il n’y a aucune alarme ou message qui indique ce défaut.
•
Il y a un risque sur la sécurité des exploitants puisqu’ils ne sont pas avertis de l’augmentation de la température au niveau de la zone de déclenchement.
•
Impossible de faire des actions correctives ou préventives puisqu’on ne peut pas connaitre l’évolution de la température au cours du temps dans les différentes zones de la turbine pour se protéger contre un incendie ou éviter un déclenchement.
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Contexte de projet
•
CPC/UPES
En cas d’un incendie réel il y a un risque que les bouteilles CO2 ne sont pas pleines pour pouvoir éteindre le feu puisqu’il n y a pas un système de vérification automatique de la pression au niveau des bouteilles (un opérateur doit vérifier régulièrement l’indication situé sur les bouteilles).
I.3.5.
Solutions proposées :
Vu que les détecteurs thermostatiques installés dans la turbine à gaz fonctionnent comme des interrupteurs donc on ne peut pas suivre l’évolution de la température au cours de temps pour empêcher les conséquences graves suites au déclenchement d’une alarme qui peut être dans plusieurs cas une fausse alarme. C’est pour cela la solution qu’on a choisi est de les remplacer par des capteurs analogiques. Ces capteurs sont les thermocouples qu’ils vont jouer le rôle des détecteurs thermostatiques et aussi nous permet de suivre l’évolution de la température au cours du temps pour faire le nécessaire avant que le seuil d’alarme soit atteint. Nous pouvons aussi faire une comparaison entre les valeurs de température des différents thermocouples situés dans la même zone.
Aussi parmi les points faibles cités, on ne peut pas contrôler la pression au niveau des bouteilles CO2 donc la solution s’était d’ajouter un transmetteur de pression au niveau des collecteurs des bouteilles CO2 pour contrôler la pression des bouteilles en temps réel.
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Contexte de projet
CPC/UPES
Ces équipements et le reste des équipements du système de protection incendie seront liés à une automate avec un système de supervision pour qu’on puisse voir les alarmes et contrôler les paramètres du système en temps réel (température et pression).
I.3.5.1. Principe de fonctionnement du thermocouple : Un thermocouple est constitué de deux jonctions reliant chacun de deux métaux ou alliage de type différent. Le principe de fonctionnement du thermocouple repose sur l’effet Seebek (une différence de température entre les deux jonctions produit une force électromotrice de faible niveau mais mesurable). Les deux extrémités libres constituent un point de compensation, soit une jonction de référence (jonction froid). Le thermocouple peut être étendu à l’aide d’un câble de compensation ou un câble d’extension. La tension thermoélectrique au niveau de la jonction de référence du matériau de fil du thermocouple et de la différence de température entre la jonction chaud et la jonction froid.
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Contexte de projet
CPC/UPES
Pour les mesures de température, la température de la jonction froide doit être maintenue constante ou connue avec précision Deux conducteurs différents
Jonction de mesure
Jonction de référence
Figure VII.7 Schéma d'un thermocouple
Jonction chaude (jonction de mesure) : Jonction de l’ensemble thermocouple soumis à la température à mesurer. C’est le point où les deux thermoélectriques sont soudés entre eux (dans notre cas on va utiliser un thermocouple de type K donc les deux conducteurs sont Nickel chrome et Nickel aluminium)
Jonction froide (jonction de référence): Jonction de l’ensemble thermocouple (à l’extrémité opposée à la jonction de mesure, une connexion électrique entre le conducteur du thermocouple et un fil en cuivre) maintenu à une température connue ou à 0°C.
Câble de compensation : C’est un câble permettant de prolonger les fils de thermocouple à moindres frais constitué des conducteurs différents en nature ou en qualité mais qui produisent dans une zone restreinte de température la même f.e.m./°C que le thermocouple.
Câble d’extension : C’est un câble permettant de prolonger les fils de thermocouple avec des conducteurs de même nature.
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Contexte de projet
CPC/UPES
Les avantages d’un thermocouple : -
Réponse rapide.
-
Plages de température très étendues
-
Conception compacte.
-
Très haute résistance aux vibrations.
-
Stabilité à long terme.
-
Conception robuste
Choix de thermocouple : Dans notre cas on va utiliser des thermocouples de type K (Chromel / Alumel ou nickelchrome / nickel-aluminium). Ces thermocouples sont les plus utilisé, sa gamme de température d’emploi est très large (-200°C à 1300°C). Sa courbe f.é.m./température est pratiquement une droite.
Figure VIII.8 Forces Electromotrice en fonction de la température d’un thermocouple
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Contexte de projet
I.3.5.2. -
CPC/UPES
Alarmes déclenchés :
Alarme vers speed tronic lorsque l’un des deux vannes CO2 fermée « Défaut système
CO2 ». -
Alarme vers speed tronic lorsque les deux vannes CO2 fermées « système CO2
verrouillé ». -
Pré alarme feu lorsque un thermocouple de chaque zone indique une température supérieure au seuil « Pré alarme feu ».
-
Alarme feu lorsque deux thermocouple indiquent une température supérieure au seuil.
« Alarme feu ». -
Ordre d’activation sirène lorsqu’il y a une alarme feu. « Sirène activée»
-
Déclenchement brise de glace « brise de glace activé » + « Alarme feu ».
-
Comparaison entre les deux valeurs des deux thermocouples situés dans la même zone
« Défaut mesure thermocouple ». -
« Thermocouple en défaut ».
Conclusion : En plus de fait que la centrale CPC satisfait environ 23% du besoin de la Tunisie en énergie électrique, elle a un rendement nettement meilleur que les centrales classiques (turbine à gaz et centrale thermique). Les performances (sécurité, disponibilité et rendement) de la centrale sont étroitement liées à la disponibilité des équipements critiques. C’est dans ce cadre, la direction de la centrale a proposé la réalisation de ce projet qui vise à améliorer le système de protection incendie déjà installé dans la turbine à gaz. Le chapitre qui suit traitera la première étape dans la réalisation du projet qui est la partie programmation sur STEP7.
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Ch a p i t r e 2 : Ch a i n e d ’a c q u i si t i o n
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
II Chaine d’acquisition : II.1.
Introduction :
Ce chapitre décrit, dans une première partie, une description de l’automate S7300, les étapes que nous avons effectuées pour programmer l’automate à recevoir les données, ainsi que la programmation que nous avons faite sur STEP7 et qui dépend de chaque type de capteurs utilisés. Dans la deuxième partie nous précédons à l’acquisition instantanée de données.
II.2.
Automate Siemens Simatic S7300 :
Le SIMATIC S7300 est l’automate le plus vendu au monde dans le contexte Totally Integrated Automation et peut faire une multitude de référence dans les secteurs industriels les plus variées fabrication manufacturière, industrie automobile, construction mécanique générale,… L’automate S7300 supporte de multiples tâches technologiques et offre de vastes possibilités de communication. Le Simatic S7300 conçu pour des solutions dédiées au système manufacturier et constitue à ce titre une plate forme d’automatisation universelle pour des applications avec des architectures centralisées.
II.2.1. Avantages S7300 : Le S7300 offre des nombreux avantages : •
Une construction compacte et modulaire, libre de contraintes de configuration.
•
Une riche gamme des modules adaptés à tous les besoins du marché est utilisable en architecture centralisée ou décentralisée,
•
Une large gamme de CPU adaptée à toutes les demandes de performances pouvant obtenir des temps de cycle machine courts.
•
Une économie d’ingénierie en utilisant les outils orientés application et normalisés IEC1131-3 (normes d écrit les fonctions standard qui peuvent âtre utilisées dans le programme API) tels que les langages SCL ou des logiciels executifs orientés technologie pour le contrôle des mouvements.
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Chaine d’acquisition
•
CPC/UPES
Le S7300 possède une microcarte mémoire (MMC)
utilisé en tant que carte
mémoire de données et de programme rend superflue l’utilisation d’une pile de sauvegarde et économise les coûts de maintenance. De plus, il est possible de sauvegarder un projet complet sur la MMC, y compris la table de mnémoniques et les commentaires pour simplifier les interventions de maintenance.
Figure II.1 Automate S7300
II.2.2. Compositions de l’automate S7300 : Le S7300 possède une structure modulaire et compacte. Les modules sont simplement accrochés et vissés pour former un ensemble robuste conforme aux exigences CEM. Il ne reste qu’a enfiché le connecteur de bus car chaque module intègre un tronçon de bus de fond de panier. L’automate S7300 est composée d’un module d’alimentation, d’un CPU et des modules d’entrées sorties.
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Signalisation d’état
CPU 312C
Module d’alimentation
Module d’E/S
Commutateur de mode
Interface MPI
Figure II.2 Composition du CPU 312C
II.2.3. Caractéristiques du CPU 312C : Pour la réalisation de ce projet, nous avons choisi d’utilisé l’automate S7300 avec CPU 312C. Le CPU 312C contient un module d’E/S logiques (TOR) intégrées (DI10/DO6XDC24V).
Figure II.3 CPU 312C
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Désignation
Couleur
Description
SF
Rouge
Erreur matérielle ou logicielle
DC5V
verte
Alimentation 5V pour CPU et bus S7300 correcte
FRCE
jaune
LED s’allume : requête de forçage active LED clignote à 2 Hz : fonction test de clignotement de l’abonné
verte
RUN
CPU en marche LED clignote au démarrage à 2 Hz et à l’arrêt à 0,5 Hz
jaune
STOP
CPU à l’état de fonctionnement « STOP »
II.2.4. Interface de communication PC-API : Nous avons établi une communication via une interface MPI. En faite, l’interface MPI (Multi Point Interface) est une interface de communication intégrée à chaque automate programmable SIMATIC S7 (SIMATIC S7/M7 et C7). Elle est utilisable pour les niveaux terrain et cellule. Elle permet de communiquer l’automate avec le PC via RS232 ou USB.
Figure II.4 Interface de communication MPI
II.2.5.Choix des modules : La vaste gamme de modules S7300 permet une adaptation modulaire aux tâches les plus divers. Le tableau ci-dessous représente la liste des équipements que nous allons brancher à l’automate S7300.
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Entrées Analogiques Nbre 16
3
Entrées Logiques
Equipements
Nbre
Thermocouple Transmetteur de pression (4-20 mA)
Equipements
Sorties Nbre
Equipements
3
Pressostat (0-24 V)
7
Sirène
9
Brise de glace (0-24 V)
8
Arrêt Ventilateurs
6
Fin de course (0-24 V)
6
Electrovannes
Pour nous permettons de configurer et de câbler ces équipements à l’automate S7300, nous avons choisi d’utiliser en se basant sur les caractéristiques des modules d’E/S cinq modules : Deux modules analogiques de type SM331 AI 8X12bit (Rèf : 6ES7 331-7KF02-
0AB0) pour configurer les thermocouples. Un module analogique de type SM331 AI 8X13bit (Rèf : 6ES7 331-1KF01-
0AB0) pour configurer les transmetteurs de pression. Un module logique de type SM323 DI16/DO16X24V/0,5A (Réf : 6ES7 323-
1BL00-0AA0).
II.2.5.1. Caractéristiques des modules d’entrées/sorties : Module SM331 AI 8X12bit : Le module peut traiter 8 entrées analogiques et déclencher des alarmes de diagnostic et des alarmes de processus. Un même module peut être configuré pour plusieurs types de mesure (tension, courant, thermocouple).
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Chaine d’acquisition
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Figure II.5 Schéma de branchement et de principe des thermocouples.
Comme le montre le schéma ci-dessus, nous pouvons connecter 8 thermocouples dans ce module et puisque nous avons besoin des 16 thermocouples dans les différents zones de la turbine à gaz c’est pour cela nous avons choisi 2 modules SM331 AI8X12 bit. Le câblage des thermocouples dans le module analogique SM331 se fait comme suit :
Raccordement de l’alimentation (24V) dans le bornier 1 (L+).
Raccordement des conducteurs de compensation des thermocouples (M+ , M-).
Puisqu’on n’a pas utilisé une boite de compensation externe, c’est pour cela nous faisons le court-circuitage des bornes de soudure froide (COMP, bornier 10 et 11).
Court-circuitage des voies inutilisées et câblage à la masse dans la bornier 20 (M).
La figure II.6 représente un exemple de câblage des 4 thermocouples du bornier 2 jusqu’à bornier 9, le bornier 1 contient l’alimentation 24V et les reste borniers sont court-circuité et liés à la masse.
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Chaine d’acquisition
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Figure II.6 Exemple du câblage des thermocouples dans un module SM331
SM331 AI 8X13bit : Le module peut traiter 8 entrées analogiques et déclencher des alarmes de diagnostic et des alarmes de processus. Un même module peut être configuré pour plusieurs types de mesure (tension, courant, résistance et température). C’est pour cela, nous avons choisi ce module pour le branchement des transmetteurs de pression puisqu’il fourni un signal 4-20 mA. mA. La figure II.6 représente un exemple de branchement d’un transducteur 2 ou 4 fils selon le choix des matériels.
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Figure II.7 Schéma de branchement et de principe d'un transducteur de mesure à 2 et 4 fils pour mesure de courant
SM323 DI16/DO16X24V/0,5A : Comme le montre la schéma ci-dessous a : 16 entrées, séparation galvanique (permet de
supprimer tout lien électrique entre une partie de circuit et une autre) par groupe de 16 16 sorties, séparation galvanique par groupe de 8 Tension d’entrée nominale : 24Vcc Tension d’alimentation nominale 24 Vcc Entrées convenant pour des commutateurs et des
détecteurs de proximité 2, 3 ou 4 fils Sorties convenant aux électrovannes, aux conducteurs à courant continu et aux
lampes de signal
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Puisque nous avons plusieurs entrés et sorties TOR comme nous avons cité précédemment. C’est pour cela, nous avons choisi ce module avec le module TOR DI10/DO6XDC24V déjà intégré dans le CPU. La figure représente le maniére et le principe de branchement des entrées et sorties TOR. Octets des sorties
Octets d’entrées
Figure II.8 Schéma de branchement et de principe du SM323
II.3.
Programmation de l’automate S7300 :
Dans tout automate programmable, deux programmes s’exécutent : Le programme relatif au système d’exploitation de l’automate. Le programme utilisateur développé sur STEP7 puis chargé dans la CPU de l’automate. JOMAA Salwa
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Le système d’exploitation de l’automate organise toutes les fonctions qui assurent le bon fonctionnement de l’API. Il permet: Le démarrage de la CPU. L’actualisation de la mémoire image des entrées et l’émission de la mémoire image des sorties. L’appel du programme utilisateur. L’enregistrement des alarmes et l’appel des OB d’alarmes. La détection et le traitement d’erreurs. La gestion des zones de mémoires. La communication avec les autres partenaires. Le programme utilisateur assure quant à lui les fonctions nécessaires au traitement des tâches d’automatisation du processus. Il permet de : Traiter les données du processus (opérations booléennes sur des données binaires, lire et exploiter des valeurs analogiques, définir des signaux binaires pour les sorties, écrire des valeurs analogiques). La programmation de l’automate S7300 se fait à l’aide du logiciel STEP 7.
II.4.
Le logiciel de programmation STEP7:
Le logiciel STEP 7 est l’outil standard de programmation des automates programmables S7300. Basé sur la norme CEI 1131, STEP 7 répond à la norme européenne et allemende DIN EN 6.1131-3. Il offre toutes les fonctionnalités nécessaires pour : -
Configurer et paramétrer le matériel
-
Configurer la communication
-
Programmer, tester et mettre en service l’automate
-
Rechercher les défauts.
Il met à disposition du programmeur des fonctions d’assistance pour résoudre efficacement les problèmes d’automatisation (Exemple : fonction système (SFC)...). STEP 7 est constitué
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Chaine d’acquisition
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d’un logiciel de base et de logiciels optionnels s’exécutant sous Windows. Le logiciel de base STEP 7 assiste son utilisateur dans toutes les phases du processus de création des solutions d’automatisation, par exemple la configuration et le paramétrage des matériels et de la communication.
II.5.
Programmation du système de protection incendie de la turbine à
gaz : La première étape pour faire la programmation du système est de faire la création du projet.
Figure II.9 Création du projet sur STEP 7
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
La deuxième étape est de faire la configuration et le paramétrage des modules et de la communication selon les besoins.
Figure II.10 Choix des modules
II.5.1. Paramétrage des modules analogiques : La connaissance de la méthode d’adressage de chaque module analogique représente une étape primordiale dans l’acquisition des données. Lors du raccordement des capteurs à l’automate, nous sommes sensés de savoir et respecter un certain adressage. L’automate ne peut recevoir ni traiter les données que si l’instrument de mesure est branché à la bonne voie du module d’entrée analogique, avec l’adresse d’entrée correspondante sur STEP7.
Module AI8X12 bit: Les figures suivantes montrent les adresses de début et fin des modules analogique SM331 AI8x12 bit que nous avons utilisé dans notre projet :
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Figure II.11 Adresses du premier module AI8X12 bit
Figure II.12 Adresses du deuxième module AI8X12 bit
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
L’étape suivante est de faire l’identification de type des entrées analogiques dans notre cas nous avons choisi les types des thermocouples et la configuration des limites inférieure et supérieure des alarmes de processus.
Figure II.13 configuration des entrées du module
Module AI8X13 bit: La figure suivante montre l’adresse de début et de fin du module AI8X13bit
Figure II.14 Adresses des modules AI8X13 bit
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Comme nous avons cités précédemment, le module AI8X13bit nous avons choisi pour faire la programmation des transmetteurs de pression. (voir figure II.12)
Figure II.15 configuration des types de mesures
II.5.2. Gestion des mnémoniques : Cette étape consiste à faire la déclaration des entrées/sorties du programme selon le type de chaque entrée ou sortie. Pour opérandes TOR, l’adresse est débuté par « I » et la sortie par « Q » puis le numéro de l’octet de module ensuite le numéro de bit. Mais ce n’est pas le même cas pour les entrées TOR. Par exemple pour faire l’adressage du thermocouple, l’adresse est débuté par PIW pour indiquer que l’entrée est un mot puis l’adresse de l’octet de module et pour la sortie l’adresse est débutée par MD. (Voir figure II.13).
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Figure II.16 Gestion des mnémoniques Le tableau suivant contient la déclaration des entrées/sorties utilisés dans la programmation du système de programmation incendie.
Emplacement
Mnémoniques
Opérande
PT 169
PIW 304
TE_1A
PIW 256
TE_2A
PIW 272
Zone 1
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Type de donné
Transmetteur de pression zone 1 Thermocouple Compartiment auxiliaire zone1 Thermocouple Compartiment auxiliaire zone1 INT
TE_ 3A
PIW 258
TE_ 4A
PIW 274
TE_1T
PIW 260
Description
Thermocouple Compartiment auxiliaire zone1 Thermocouple Compartiment auxiliaire zone1 Thermocouple Compartiment Turbine zone1
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Chaine d’acquisition
Zone 2
JOMAA Salwa
CPC/UPES
Thermocouple Compartiment
TE_2T
PIW 276
TE_3T
PIW 262
TE_4T
PIW 278
HS_051A
I
8.0
Brise de glace zone 1
HS_051B
I
8.1
Brise de glace zone 1
HS_051C
I
8.2
Brise de glace zone 1
HS_051D
I
8.3
Brise de glace zone 1
PSH 169
I
9.1
Pressostat zone 1
ZSL 170
I
9.4
Fin de course HV 170 zone 1
ZSL 199
I
9.5
FY 271
Q
8.1
Electrovannes zone 1
FY 151
Q
8.0
Electrovannes zone 1
XA 060 A
Q
8.6
Sirène & flash zone 1
XA 060 C
Q
8.7
Sirène & flash zone 1
XL 060 B
Q
9.0
flash zone 1
XL 060 D
Q
9.1
flash zone 1
TE_1P
PIW 264
TE_2P
PIW 280
TE_3P
PIW 266
Turbine zone1 Thermocouple Compartiment Turbine zone1 Thermocouple Compartiment Turbine zone1
BOOL
Fin de course HV 199 zone1
Thermocouple Compartiment de puissance zone 2
INT
Thermocouple Compartiment de puissance zone 2 Thermocouple Compartiment de puissance zone 2
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Chaine d’acquisition
Zone 3
CPC/UPES
Thermocouple Compartiment de
TE_4P
PIW 282
PT 270
PIW 306
Transmetteur de pression zone 2
HS_052A
I
8.4
Brise de glace zone 2
PSH 270
I
9.2
Pressostat zone 2
ZSL 270
I
9.6
Fin de course HV 270 zone2
ZSL 280
I
9.7
FY 291
Q
8.3
Electrovannes zone 2
FY 251
Q
8.2
Electrovannes zone 2
XA 061 A
Q
9.2
Sirène & flash zone 2
TE_1P4
PIW 268
Thermocouple palier 4 zone 3
TE_2P4
PIW 284
Thermocouple palier 4 zone 3
TE_1P5
PIW 270
TE_2P5
PIW 286
Thermocouple palier 5 zone 3
PT 370
PIW 308
Transmetteur de pression zone 3
HS_053A
I
8.5
Brise de glace zone 3
HS_053B
I
8.6
Brise de glace zone 3
HS_053C
I
8.7
Brise de glace zone 3
HS_053D
I
9.0
Brise de glace zone 3
puissance zone 2
BOOL
INT
Fin de course HV 280 zone2
Thermocouple palier 5 zone 3
BOOL
JOMAA Salwa
PSH 360
I
9.3
ZSL 370
I
124.0
Fin de course HV 370 zone2
ZSL 360
I
124.1
Fin de course HV 360 zone2
FY 351
Q
8.4
Pressostat zone 3
Electrovannes zone 3
Page 42
Chaine d’acquisition
CPC/UPES
FY 371
Q
8.5
Electrovannes zone 3
XA 062 A
Q
9.3
Sirène & flash zone 3
XA 062 B
Q
9.4
Sirène & flash zone 3
II.5.3. Description du programme utilisateur : Le programme utilisateur que nous avons développé exécute les tâches décrites par le tableau suivant :
Type d’appel
Bloc
Tâche à programmer
Bloc mémentos
d’organisation Appel cyclique
OB1
utilisés Mémorisation des entrées
MW
analogiques Conversion et mémorisation des
MD
valeurs issues des thermocouples et des transmetteurs de pression M
Les Blocs d’organisation déterminent la structure et l’ordre de traitement du programme utilisateur. Ils sont directement appelés par le système d’exploitation, constituent donc l’interface entre le programme utilisateur et le système d’exploitation de la CPU.
OB1 : Il s’agit de l’interface avec le système d’exploitation de la CPU, il contient le programme principal. Le système d’exploitation exécute l’OB1 de manière cyclique : aussitôt son traitement achevé, il le démarre à nouveau. L’exécution cyclique de l’OB1 commence quand la mise en route est terminée. Les blocs fonctionnels FB et SFB ou les fonctions FC et SFC peuvent être appelé et leurs paramètres spécifiques pour la commande du processus sont transmis dans l’OB1.
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Fonction (FC) : une FC ne possède pas une zone de mémoire propre, mais elle peut transmettre des paramètres. Les données locales d'une fonction sont perdues après l'exécution de la fonction. Il est également possible d'appeler d'autres FB et FC dans une fonction via des instructions d'appels de blocs.
Structure de programme :
u d e c n e u q é S
e m m a r g o r p
OB1
FC
II.5.4. Acquisition des données : II.5.4.1. Acquisition des paramètres de la température : Dans cette étape, nous avons traité un exemple de l’acquisition de la température du thermocouple du compartiment turbine « TE_1T». L’acquisition des valeurs de température se fait à partir la fonction FC105 « SCALE » qui représente une fonction de mise à l’échelle installée dans la bibliothèque du STEP7.
Description du bloc de fonction : La fonction mise à l’échelle (FC 105 "SCALE") prend une valeur entière (IN) et la convertit selon l’équation ci-après en une valeur réelle exprimée en unités physiques, comprises entre une limite inférieure (LO_LIM) et une limite supérieure (HI_LIM). Le résultat est écrit dans le paramètre OUT (voir figure II.14). Si la valeur entière d’entrée se situe en dehors de la plage définie pour son type (bipolaire ou unipolaire), la sortie (OUT) est saturée à la valeur la plus proche de la limite inférieure (LO_LIM) ou supérieure (HI_LIM) et une erreur est signalée.
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Chaine d’acquisition
CPC/UPES
Plages de mesure : •
BIPOLAIRE: La
valeur entière d’entrée est supposée être comprise entre -27648 et
27648 •
UNIPOLAIRE: La
valeur entière d’entrée est supposée être comprise entre 0 et
27648.
Figure II.14 Schéma du bloc de mise à l’échelle de fonction FC105 Chargement du bloc FC105 : Nous avons traité l’exemple du thermocouple TE_1T situé dans le compartiment turbine. Le tableau ci-dessous décrit les entrées et sorties de la fonction FC105. (voir figure II.15)
Paramètres
Déclaration
EN
INPUT
Type de données BOOL
ENO
OUTPUT
BOOL
IN
INPUT
INT
TE_1T
HI_LIM
INPUT
REAL
1300.0
La boîte est activée par l'état "1" du signal à l'entrée de validation La sortie de validation est à l'état "1" lorsque la fonction est exécutée sans erreur. Valeur d'entrée devant être mise à l'échelle en une valeur de type REAL en unités physiques Seuil supérieur en unités physiques
LO_LIM
INPUT
REAL
0.0
Seuil inférieur en unités physiques
BIPOLAR
INPUT
BOOL
OUT
OUTPUT
REAL
MD130
L'état "1" caractérise une valeur d'entrée bipolaire. L'état "0" caractérise une valeur d'entrée unipolaire Résultat de la mise à l'échelle
RET_VAL
OUTPUT
WORD
MW0
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Variable DESCRIPTION
Délivre la valeur W#16#0000 lorsque l'opération est exécutée sans erreur. Lorsqu'une autre valeur est délivrée, veuillez consulter les informations d'erreur correspondantes Page 45
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Figure II.15 Acquisition des valeurs du thermocouple avec la fonction FC105
Test de la fonction : Nous avons testé la fonction FC105 et l’acquisition des valeurs de température du thermocouple à l’aide du simulateur intégré dans STEP7 « S7-PLCSIM ». la figure ci-dessous montre un exemple de chargement du fonction FC105.
Figure II.16 Chargement de fonction FC105
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Description de l’équation de conversation de la fonction FC105 : Le module d'entrée analogique délivre une valeur numérique pour un signal analogique normalisé dans notre cas la température. Cette valeur numérique doit reproduire la grandeur à mesurer. Cette opération s'appelle normalisation ou mise à l'échelle mise à l'échelle de la valeur analogique. La conversion de température se fait à l’aide fonction FC105. La figure ci-dessous représente la courbe de la température en fonction de la valeur numérique de la fonction FC105.
-3
Y ≈ 47 ,019 * 10^ *
Figure II.17 Courbe de température en fonction de la valeur numérique du FC105 Pour X0= 0
Y0 = 0 °C
Pour X1 = 27648
Y1 = 1300 °C
La valeur convertie normalisée peut être obtenue par l’équation Y=aX+b Avec a = Y1 - Y0 / (X1 - X0) alors a = 1300 – 0 / (27648 – 0)
a ≈ 47 ,019 * 10^ -3 Et b = Y0 – a X0 donc
b = 0 -3
Y ≈ 47 ,019 * 10^ * X
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II.5.4.2. Acquisition des paramètres de la pression : L’acquisition des paramètres de pression se fait aussi à l’aide de la fonction FC105, le même principe que l’acquisition des paramètres de température de thermocouple sauf le plage de mesure qui se change.
Figure II.18 Chargement de fonction FC105
Y ≈ 72 ,337 * 10^ -3*
Figure II.19 Courbe de pression en fonction de la valeur numérique du FC105
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Pour X0= 0
Y0 = 0 mbar
Pour X1 = 27648
Y1 = 2000 mbar
La valeur convertie normalisée peut être obtenue par l’équation Y=aX+b Avec a = Y1 - Y0 / (X1 - X0) alors a = 2000 – 0 / (27648 – 0)
a ≈ 72 ,337 * 10^ -3 Et b = Y0 – a X0 donc
Et
b = 0
Y ≈ 72 ,337 * 10^ -3* X II.5.5. Configuration des alarmes :
Dans cette partie, nous avons programmée la liste des alarmes que nous avons citées précédemment dans le chapitre 1.
II.5.5.1. Alarme défaut système CO2 : L’alarme de défaut système comme nous avons vu est apparu lorsque l’un des deux vannes CO2 est fermé dans les 3 zones C02. « Défaut systéme CO2 zone 1 » ou « Défaut systéme CO2 zone 2 » ou « Défaut systéme CO2 zone 3 » La figure ci-dessous représente l’alarme du défaut système CO2 zone 2.
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Figure II.20 Programmation alarme défaut système CO2 zone 2
II.5.5.2. Alarme défaut mesure température : Cette alarme est apparue lorsque les deux thermocouples situés dans la même boucle donnent des valeurs différentes. La figure II.21 représente un exemple de défaut mesure de température dans le palier 4 zone 2 : Le premier détecteur donne 590,161 °C Le deuxième thermocouple donne -14,79 °C Ce qui nous indique que l’un de ces détecteurs est en défaut.
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Figure II.21 Alarme défaut mesure température palier 4 zone 2
II.5.5.3. Température haute : Cette alarme nous indique l’augmentation de la température dans telle zone de la turbine à gaz avant qu’elle passe à la pré-alarme. La figure ci dessous montre un exemple d’élévation de température dans la zone 2 indiqué par le thermocouple TE_1P4.
Figure II.22 Alarme température haute palier 4 zone 2 JOMAA Salwa
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II.5.5.4. Pré-alarme feu : Cette alarme se déclenche lorsque la valeur de température atteint le seuil de pré-alarme feu.
Figure II.23 pré-alarme feu zone 2
II.5.5.5. Alarme activation des électrovannes : Cette alarme se déclenche lorsqu’il y a alarme feu donc elle indique que les électrovannes de la zone CO2 sont excitées. La figure III.24 montre un exemple d’activation des électrovannes dans la zone CO2 numéro 3.
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Figure II.24 Activation des électrovannes CO2 zone 3
Conclusion : Dans ce chapitre nous avons réalisé un outil de programmation qui assure l’acquisition en temps réel des paramètres de température dans les différentes zones de la turbine à gaz ainsi que les paramètres de pression et la configuration des alarmes du système de protection incendie. Nous passons par la suite, à l’étape finale décrite par le cahier de charge. C’est la conception et la réalisation d’une interface qui assure la supervision de ce systéme.
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Ch a p i t r e 3 : E t a p es d e m i se en ser v i ce d es so l u t i o n s p r o p o sé e
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Etape de mise en service de la solution proposée : III.1. Introduction :
Nous expliquerons dans ce chapitre les étapes de mise en service de la solution proposée à partir deus méthodes. La première méthode, c’est l’utilisation de logiciel de supervision WINCC avec lequel nous pouvons contrôler les paramètres de système de protection incendie dans la turbine à gaz. La deuxième méthode, c’est la réalisation d’un simulateur (bac d’essaie) à parti duquel nous pouvons tester le programme déjà réaliser avec STEP7.
III.2. Interface de supervision avec WINCC : III.2.1. Description du logiciel de supervision WINCC : WINCC est un système polyvalent qui permet de réaliser des projets de visualisation et de contrôle commande dans le domaine de l’automatisation de la production et des processus. Il offre des modules fonctionnels adaptés au monde industriel pour la représentation graphique, la signalisation des alarmes, l’archivage et la journalisation. Avec couplage au processus performent, le WINCC offre un rafraîchissement rapide des vues et un archivage de données fiable, il assure une haute disponibilité du système. Le logiciel WINCC même est une application 32 bits, développée avec une technique de pointe orientée objet.
III.2.2. Supervision sous WINCC : III.2.2.1. Intégration du projet STEP7 : Avant de commencer la réalisation de l’interface de supervision, il est indispensable, de créer une liaison directe entre WINCC et notre automate (le projet du Step7). Ceci dans le but que WINCC puisse aller lire les données qui se trouvent dans la mémoire de l’automate
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Figure III.1 Intégration du projet Step7 dans wincc
Figure III.2 Liaison avec l’automate S7300
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III.2.2.2. Création des vues : Dans WINNCC, les vues sont crées pour la supervision et le contrôle du paramètres du système et c’est le but de notre projet de faire un contrôle en temps réel des paramètres de contrôle de système de protection incendie dans la turbine à gaz. Une vue peut être composée des éléments statique et des éléments dynamiques.
Les éléments statiques se sont les objets qui ne changent pas au run-time. Les éléments dynamique varient en fonction de la procédure, ils permettent de visualiser les paramètres du processus à partir de la mémoire de l’automate ou à partir de la mémoire du pupitre de l’opérateur sous formes des courbes ou des champs d’entrées / sorties par exemple.
III.2.2.3. Création de la table de variable : Maintenant, la liaison entre le projet du wincc et l’automate est établie et les vues du supervision du système sont crées. Donc il est possible d’accéder à toutes les zones mémoires de l’automate (bloc de données, mémoire des entrées sorties). Ainsi, pour la configuration des alarmes, il est indispensable de créer une table de variable sur wincc qui contient les différents entrées / sorties nécessaire pour la visualisation et le contrôle des paramètres de système. La figure ci-dessous représente un exemple des variables que nous avons utilisés dans notre projet.
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Figure III.3 Exemple des variables utilisés dans WINCC
III.2.2.4. Navigation entre les vues : La navigation entre les vues de l’interface a été conçue pour permettre à l’opérateur de naviguer entre les vues de manière simple et rapide
III.2.2.5. Réalisation de l’interface de supervision du système de protection incendie : Pour les contrôle et le supervision des paramètres de système de protection incendie, nous avons réalisé cinq vues représenté comme suit :
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Vue initiale
Système TPT
Alarmes
Forçage des variables
Courbes de la température zone 1
Courbes de la température zone 2
Courbes de la Pression CO2
Courbes de la température zone 3
Figure III.4 Architecture des vues de supervision
Vue initiale : Cette vue permet l’accès aux utilisateurs par la saisie de nom d’utilisateur et le mot de passe pour qu’on puisse connaitre les droits d’accès de chacun. Il existe deux types d’utilisateur, le premier c’est l’administrateur qu’il peut faire la commande, le contrôle et la gestion du système et le deuxième c’est l’utilisateur simple qu’il peut faire seulement la commande du système. Les figure ci-dessous représente la vue initiale du supervision.
Figure III.5 Vue initiale avant de connaitre l’identité d’utilisateur JOMAA Salwa
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Figure III.6 Vue initiale
Vue de supervision du système de protection incendie « TPT » : C’est la vue principale du système puisqu’elle contient les différents équipements du système de protection incendie ainsi que leur emplacement exactes comme dans l’installation réelle. A partir de cette vue, nous pouvons contrôler les paramètres du système (température, pression) dans les 3 zones de protection incendie. (Voir figure III.7)
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Figure III.7 Vue de supervision principale de système de protection incendie
Vue des alarmes : A partir de cette vue nous pouvons voir la liste des alarmes du système comme représenté dans la figure III.8.
Figure III.8 Vue de supervision principale de système de protection incendie JOMAA Salwa
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Vue des forçages des variables : A partir de cette vue, nous pouvons faire le forçage des différents variables du système. Mais ce n’est pas n’importe qu’elle utilisateur peut le faire sauf l’administrateur.
Figure III.9 Vue de forçages des variables
Vue des courbes de température : Si l’utilisateur veut surveiller l’évolution de la température dans n’importe qu’elle zone de la turbine à gaz, il peut visualiser le courbe de température en temps réel à partir de cette vue. (Voir figure III.10)
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Figure III.10 Exemple des courbes de température des 4 thermocouples de la zone 3
Vue des courbes de pression : Cette vue contient les courbes de pression du systéme CO2 dans les trois zone de la turbine à gaz. A partir de cette vue l’exploitant peut contrôler s’il y a fuite au niveau du rack CO2 ou non. (Voir figure III.11).
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Figure III.11 Exemple des courbes de pression dans les 3 zones CO2
III.3. Réalisation d’un simulateur du système de protection incendie (bac d’essaie) : La vérification du bon fonctionnement d’un telle programme est très importent pour le marche du système dans la bonne condition. C’est pour cela, la réalisation d’une bande d’essaie du système de protection incendie nous facilite beaucoup le test de la solution ainsi elle nous permet de maitriser leur fonctionnement.
III.3.1. Choix des matériels : Comme nous avons indiqué dans le premier chapitre la liste des équipements nécessaires pour l’exécution de la solution proposée. Mais, pour la réalisation de ce simulateur nous avons fait une modification vu la disponibilité des matériels dans le central et nous allons faire la programmation d’une seule zone (nous avons choisi de faire la programmation de la zone 2). Par exemple pour le câblage de thermocouple nous avons choisi des potentiomètres 2,5 k Ω. (Voir figure III.12).
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Figure III.12 Potentiomètres 2,5 K Ω
Le potentiomètre joue le même rôle d’un Pt 100. Puisqu’il donne comme le Pt100 des résistances (par exemple le 0°C correspond à 100 Ω). Aussi ils ont le même câblage au niveau de module analogique. Le schéma ci-dessous représente le câblage des Pt100 au niveau du module analogique SM331 AI 8 X 13 bit.
Figure III.13 Schéma de branchement et de principe de sonde thermique Le tableau ci-dessous représente la liste des matériels que nous avons choisis pour la réalisation du simulateur.
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matériels Automate S7300
Nombres 1
CPC/UPES
Description Déjà installé dans le central, utilisé pour programmer le simulateur.
Module analogique SM331
1
Utilisé pour le branchement des potentiométres
1
Utilisé pour le branchement des des signal 4-20
AI 8 X 13 bit Module analogique SM331 AI 8 X 16 bit Module TOR DI10/DO6
mA qui joue le rôle de transmetteur de pression 1
Utilisé pour le branchement des entrées / sorties TOR. (ce module déjà intégré dans le CPU 312C de l’automate S7300
Potentiomètres
4
Pour mesurer la température
Interrupteurs
7
Joue le rôle des entrées TOR (fin de course, pressostat, brise de glace,…)
lampes
6
Indique l’activation des sorties TOR (les électrovannes, les sirènes,..)
Transformateur 220/24 V
1
Utilisé pour alimenter une lampe qui indique l’état de fonctionnement des ventilateurs (l’alimentation des ventilateurs est depuis un source externe et n’est pas à partir de l’automate.
Module analogique SM331
1
Utilisé pour le branchement des potentiomètres
1
Utilisé pour le branchement des des signal 4-20
AI 8 X 13 bit Module analogique SM331 AI 8 X 16 bit Module TOR DI10/DO6
mA qui joue le rôle de transmetteur de pression 1
Utilisé pour le branchement des entrées / sorties TOR. (ce module déjà intégré dans le CPU 312C de l’automate S7300
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