Différence de méthodes pour les procédés utilisant du chaud et du froid

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État de l’art des connaissances problématiques

Principe du tempérage en continu

Le tempérage en continu, à l’opposé des modes « en batch » ou « par lot », consiste à élaborer du chocolat d’une façon ininterrompue à l’aide d’une machine.
Il s’exécute dans un récipient constamment agité à l’aide de lames de mixeurs, ce qui constitue le cisaillement. (Beckett, 2009)
Le flux de nature laminaire qui est soumis à des vibrations de 50Hz à une amplitude de 0.1mm peut être assumé comme newtonien ; ce qui nous exempt d’escompter de grandes variations de comportements. (Id., 2009)
Les étapes de traitement primordiales au passage du chocolat de l’état liquide à l’état solide sont illustrées par la figure Fig.1. Elles sont réalisées avec des machines spécialisées suivant la tâche qui leur est assignée.

Du sucre et du lait en poudre sont tout d’abords mélangés à la masse de cacao brute. Après, le chocolat passe par les étapes de raffinage et de conchage précédant le tempérage. Ensuite, ce dernier est suivi du moulage, ou encore de l’enrobage. Ces étapes réalisées, le chocolat peut enfin être consommé, stocké ou mis en vente.

Profil de température typique

La figure suivante montre le profil type d’une courbe de température pour le tempérage du chocolat au lait. Elle met en évidence quatre zones à contrôler, où deux catégories de chaleur sont à cibler : la chaleur latente et la chaleur sensible ou spécifique.

Tempéreuse à vis sans fin à trois zones

Pour mieux appréhender le tempérage en continu, Cebula et al. (1991) ont réalisé un prototype de tempéreuse à vis sans fin à petite échelle divisé en trois zones.

Contrôle de température des extrudeuses

Le contrôle de température des extrudeuses est un procédé complexe qui nécessite à la fois une bonne connaissance de la géométrie de la machine tout autant que de la rhéologie du produit à extruder. Pour optimiser son contrôle, mis à part la poursuite de consigne pour l’extrudeuse et les équipements associés, il s’agit aussi d’intégrer les actions effectuées par l’opérateur. (Berns, 2005)
Pour configurer un contrôleur automatique, il faut donc le programmer en deux étapes : une approche pour maintenir une variable de procédé spécifique à une consigne déterminée, et une autre pour contrôler les séquences des opérations. (Fellows, 2000)
Dans certains systèmes, le contrôle basique attribue un contrôleur de boucle PID indépendant pour chaque zone tandis que dans d’autres, un PLC exécute séquentiellement ces algorithmes. Le contrôle avancé, quant à lui, inclut le contrôle en cascade de la température de cristallisation, le contrôle de flux de la zone, l’autoréglage des contrôleurs, la maximisation de la production, et le contrôle de la qualité de l’extrudé. (Liptàk, 2006)

Travaux antérieurs sur les extrudeuses à rotor unique

Concernant l’état de l’art du contrôle des extrudeuses à rotor unique, des travaux de contributions majeures ont été rassemblés dans l’article d’Abeykoon (2016) montrant les approches utilisées, leurs limites respectives, ainsi que des déductions sur leur efficacité.
Les méthodes utilisées sont le contrôle PID, les Artificial Neural Network et la Fuzzy Logic. Les paramètres à contrôler sont la température, la pression et la viscosité.
Dans cet article à but incitatif, l’auteur a interpellé les problèmes récurrents rencontrés par la majorité des méthodes de contrôle et a suggéré le moyen de les améliorer. Il a ainsi remarqué qu’à cause d’assomptions trop nombreuses, ces travaux ont failli d’adresser la non-linéarité de manière assez efficace. Par ailleurs, il a noté que la vitesse de la vis sans fin et la température de la zone sont manipulées séparément, ce qui complique les décisions de l’opérateur sur l’ajustement des paramètres. En effet, vu leur interdépendance, en changer un affecte tous les autres, ce qui peut engendrer des problèmes pour le système entier.
Après cette analyse, l’auteur a alors mis en exergue les avantages et failles de ces méthodes ainsi la suprématie des nouvelles méthodes comme la Neuro-Fuzzy Logic qui se montrent plus efficaces lorsque le contrôle PID classique s’avère insuffisant.

MATÉRIEL ET MÉTHODES

Matériel

La synthèse bibliographique étant effectuée, nous allons à présent procéder à l’inventaire du matériel. Comme matériel physique, nous disposons d’une tempéreuse à vis sans fin de marque inconnue, ainsi que d’un certain nombre de patentes sur le thème du tempérage du chocolat ou de l’extrusion. Comme moyens logiciels, nous avons une panoplie de boîte à outils de modélisation proposée par MATLAB : Simulink, Stateflow, et Simscape.

Emplacement des équipements les uns par rapport aux autres

Dans l’usine, les équipements sont disposés dans cet ordre : réservoir en amont, tempéreuse en aval. Le chauffage initial se passe dans un réservoir qui accueille le chocolat fraîchement conché avec le résidu non utilisé de chocolat tempéré, selon le principe de recirculation mis en patente par Sollich. (Sollich,1959)

Diagramme d’instrumentation et tuyauterie d’après la patente US4865856

La figure ci-dessous illustre le diagramme d’instrumentation et tuyauterie de la topologie de contrôle décrite dans la patente US4865856 pour contrôler le tempérage du chocolat à travers une vis sans fin à double rotor.
Le diagramme présenté est un schéma fonctionnel mais non-optimisé. Le refroidissement des zones de l’échangeur thermique s’effectue au moyen d’un fluide réfrigérant à recirculation.

Instrumentation

Pour pouvoir installer un automatisme, il faut réunir des conditions préalables comme l’accès pour l’instrumentation de capture et de transmission des données. Ces données serviront pour l’ajustement des commandes et la maintenance des appareils. Elles rendront compte de l’état des lieux des opérations effectuées par la machine.
Leur résolution est définie par le transmetteur. Pour la mesure de température, les capteurs les plus utilisés sont les RTD ou détecteurs de température à résistance, les capteurs IR ou à infrarouge, et les TC ou thermocouples. Leur étui et boîtier sont en métal. (Rauwendaal, 1998)

Les sondes de température à résistance ou RTD

Les capteurs de température à résistance RTD sont des capteurs de température qui génèrent une résistance mesurable. Ils ont une meilleure sensibilité, répétitivité, et un niveau de signal plus élevé par rapport aux thermocouples. En d’autres termes, ils ont une bien meilleure précision. (McMillan,2011) Dans le cas d’une résistance en platine (type Pt100), pour une température de 100°C (212°F), le standard IEC 751 montre que la valeur de la résistance est de 138.5 ohms.
En alternative à l’utilisation de ce standard, l’équation qui relie la résistance et température est : où: t = Température en °C
Rt = Résistance de la RTD à t
RO= Résistance de la RTD à t = 0°C (constante de Callendar-Van Dusen )

Les thermocouples ou TC

Les thermocouples (Fig.7a) sont des capteurs de température qui génèrent une tension mesurable aux jonctions dont les polarités sont opposées. Ils sont les plus couramment rencontrés dans le contrôle des extrudeuses à cause de leur précision ponctuelle, stabilité dans les environnement à hautes vibrations et leur faîble coût . (McMillan,2011)
Leur précision estde l’ordre de ±1°C/1.8°F . Ils sont insérés à travers la paroi du tube, la pointe immergée dans le fluide et peuvent être arrangés de différentes manières comme illustré par la figure Fig.
La tension aux bornes d’un thermocouple est sous l’influence d’un phénomène appelé Effet Seebeck selon lequel la tension mesurée à la jonction froide est proportionnelle à la différence de température entre la jonction chaude et la jonction froide.
La jonction froide est celle où sont rattachés les fils de plomb et le voltmètre ou le transmetteur.
Selon, le type d’alliage de métaux utilisé pour leur fabrication, il existe différents types de thermocouples. (Tableau 1)

Les Programmable Logic Controllers ou PLC

Une fiche de données techniques complète des Programmable Logic Controllers est donnée par (Liptàk,2006) ainsi qu’une liste des fournisseurs1.
Les PLC sont une famille de contrôleurs qui, comme leur nom l’indique, se programment avec des logiques de commande variées. Les langages de programmation principaux utilisés sont : le Function Block et le Structured Text.
La marque de PLC que nous choisissons pour le contrôle de température de la tempéreuse est du type Compact Logix5000, qui se programme sur le logiciel RSLogix5000 fabriqué par Allen Bradley et commercialisé par Rockwell Automation.

Nous proposons de l’utiliser principalement pour sa compatibilité avec MATLAB, ensuite, parce qu’il intègre plusieurs fonction de contrôle incluant le PID dont la version est appelée PIDE ou PID Enhanced c’est-à-dire amélioré, qui est un algorithme de vélocité.
Pour les milieux vaporeux et bruités des usines, il est avantageux d’utiliser un PLC plutôt que l’Arduino d’une part parce qu’ils sont plus robustes et plus fiables, et d’autre part, parce que leur utilisation nécessite moins d’interfaces matérielles.

Conception du système de commande:

Pour concevoir le système de commande, nous choisissons d’affecter la température du chocolat en accordance avec le système de refroidissement grâce au contrôle automatique du compresseur pour gérer la température et le débit du fluide réfrigérant, dépendant du contrôle de vitesse du moteur malaxeur.
Pour ce faire, nous procéderons par modélisation indépendante des deux systèmes : moteur et système réfrigérant. Les topologies décrites par la patente serviront d’appui pour décrire le fonctionnement attendu de la machine à tempérer, le rôle du système réfrigérant, et l’instrumentation à mettre en place.
L’approche que nous présentons dans ce travail diffère des méthodes précédentes par la modélisation multi-physique du système et le contrôle simultané de la température et du débit avec un contrôleur unique.

Les zones de température de corps de la vis sans fin :

Comme dit précédemment, la tempéreuse fonctionne comme un échangeur thermique tubulaire. Pour contrôler les zones de température, nous allons la diviser en un réseau de zones à contrôler séparément, dans l’objectif d’obtenir des sous-systèmes à nombre d’entrées et sorties uniques ou SISO (Single Input Single Output).
Le flux de température constitue l’aspect énergétique du système. Pour le contrôler, le contrôle de la pression différentielle admise dans la zone, des gradients de température et du débit sont introduits afin de préserver la tuyauterie de l’abrasion ou de la rupture provoquées par les perturbations comme les effets coups de bélier, cavitation etc. (Liptàk, 2006)
Le refroidissement des zones de température s’effectue avec un échange de flux à contre-courants telle que le flux de l’eau de refroidissement circule dans le sens opposé à celui du chocolat. Il en est de même pour l’eau de chauffage au bain-marie.

Paramètres de contrôle

Pour contrôler la température, plusieurs paramètres sont pris en compte. La consigne à poursuivre est la température du chocolat. Les paramètres variables à contrôler sont : la température du chocolat et la température et le débit du fluide caloporteur. Les variables à mesurer sont les températures du chocolat et du fluide réfrigérant et le débit du fluide réfrigérant.
Comme perturbations mesurables, nous avons les variations de charges, de températures et de débits d’entrées du fluide à tempérer et du fluide réfrigérant.

La tempéreuse est donc un système multi-variable à sorties multiples (MIMO) (Multiple Input Multiple Output) que nous allons diviser de manière expresse en sous-systèmes, afin de réduire le nombre de variables et d’obtenir un degré de liberté positif.
Dans ce travail, nous nous concentrerons sur le moyen d’automatiser l’injection de fluide réfrigérant ou de fluide caloporteur.
Comme il est plus aisé de chauffer une zone que de la refroidir, voilà pourquoi il est plus judicieux d’approcher la température progressivement pour minimiser le risque d’excéder la consigne d’où l’utilisation du contrôle PID. (Goff et Whelan, 1998)
Voyons en premier lieu, les topologies de contrôle des zones de température. En second lieu la régulation de vitesse du moteur malaxeur. En troisième lieu, voyons le contrôle du système de refroidissement. En quatrième et dernier lieu, nous rassemblerons les différents algorithmes de contrôle à implémenter dans un PLC.

Programme de régulation des tronçons d’échangeurs thermiques

Pour un programme de régulation complet, le tempérage se contrôle en trois zones distinctes. Nous allons définir ces zones de manière à obtenir un réseau de sous-zones qui effectuent des fonctions précises .Le profil de température du chocolat au lait sera choisi en guise d’exemple. Comme paramètres de températures T° nous avons :
• Zone 1 pré-refroidissement : T° entrée= 45°C, T°sortie=32°C
• Zone 2 refroidissement : T° entrée= 32°C, T°sortie=27°C
• Zone 3 chauffage : T° entrée=27°C, T°sortie=29°C
Comme la viscosité précise à T°=40°C doit être mesurée, nous allons diviser la Zone1 de pré-refroidissement en deux segments et introduire 40°C comme consigne intermédiaire.
Nous obtenons ainsi quatre zones en série, de longueurs égales nommées E1, E2, E3, E4 pour échangeurs numéros 1, 2,3 et 4.

La séquence 45°C->40°C->32°C->27°C->29°C constituera le programme de températures tel que la sortie d’E1 est l’entrée d’E2 et ainsi de suite, ce qui nous donne les intervalles de contrôle: E1=[45 ;40] , E2=[40 ;32] ,E3=[32 ;27] et E4=[27 ;29] . Finalement, si on souhaite limiter le nombre de pompes à utiliser nous pourrons assembler E2 et E3 en une seule zone.
Les températures des zones individuelles E1 et E2 sont similairement contrôlées en cascade, tandis que le contrôle de température en fonction de la viscosité concerne la zone d’E3 de 32°C à 27°C. En assumant que la température d’entrée a été préalablement stabilisée, nous ne considérerons qu’une seule zone d’échange thermique pour illustrer notre démarche.

Table des matières

INTRODUCTION
Considérations préliminaires
Organisation du mémoire
Chapitre 1 GÉNÉRALITÉS ET SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
Section 1 Contexte du projet
1.1.1 Présentation de l’Entreprise d’Accueil
1.1.2 Champ d’étude du Mémoire
1.1.3 Contexte lié au choix du Thème du projet
1.1.4 Problématique de la Thèse
1.1.5 Objectif du Projet
1.1.6 Connaissances entrant en jeu
Section 2 État de l’Art des connaissances problématiques
1.2.1 Principe du tempérage en continu
1.2.2 Profil de température typique
1.2.3 Tempéreuse à vis sans fin en trois zones
1.2.4 Contrôle de température des extrudeuses
1.2.5 Travaux antérieurs sur les extrudeuses à rotor unique
Chapitre 2 MATÉRIEL ET MÉTHODES
Section 1 Matériel
2.1.1 Emplacement des équipements les uns par rapport aux autres
2.1.2 Diagramme d’instrumentation et tuyauterie d’après la patente US4865856
2.1.3.1 Les sondes de température à résistance ou RTD
2.1.3.2 Les thermocouples ou TC
2.1.3.3 Les Programmable Logic Controllers ou PLC
Section 2 Méthodes
2.2.1 Conception du système de commande
2.2.2 Les zones de température de corps de la vis sans fin
2.2.3 Paramètres de contrôle
2.2.4 Programme de régulation des tronçons d’échangeurs thermiques REMARQUE
2.2.5 Contrôle de vitesse du moteur malaxeur
2.2.5.1 Relation torque-viscosité
2.2.6 Contrôle du système réfrigérant
2.2.6.1 Les refroidisseurs
2.2.6.2 Modèle dynamique du compresseur
Chapitre 3 RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS
Section 1 Résultats du contrôle de vitesse du moteur
3.1.1 Différentes courbes
3.1.2 Interprétations
Section 2 Résultats du contrôle du système réfrigérant
3.2.1 Différentes courbes
3.2.2 Interprétations
3.2.3 Contrôle du compresseur
3.2.4 Commande de la pompe hydraulique
3.2.5 Commande des électrovannes
Chapitre 4 DISCUSSION
Section 1 : Mesure du degré de tempérage
Section 2 : Différence de méthodes pour les procédés utilisant du chaud et du froid
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE

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