D ans tous les types d'industries [voir encadré page 39], on rencontre des vannes de régulation, qui sont mises en œuvre pour interagir sur une grandeur physique, à savoir contrôler la température, la pression ou encore le pH d'un procédé », rappelle Daniel Arnold, responsable produits Instruments Fisher pour l'Europe chez Emerson Automation Solutions. Quel que soit le type (papillon, guillotine, rotative, à clapet, à boisseau, à membrane, etc.), une vanne est un ensemble de pièces mécaniques, qui ne transmet pas nor-malement de valeurs de process, contrairement à un capteur de température ou un débitmètre à effet Coriolis. « Si les vanniers ont en charge la robinetterie, comme il s'agit de régulation, c'est pourtant bien l'instrumentiste qui interviendra sur les vannes de régulation, et en particulier sur les positionneurs, déployées sur un site industriel », constate Marc Khidichian, ingénieur commercial Région Est IDF au sein de la division Industrial Automation-IAMA Measurement & Analytics d'ABB France. Une vanne de régulation ne se résume pas à sa seule partie mécanique, à savoir la « robinetterie » et l'actionneur, mais on prend en compte également le positionneur, que l'on pourrait appeler le « cerveau » de la vanne. « Même si le positionneur n'est vu que comme un accessoire de vanne, tels que les détecteurs de fin de course, les boosters de volume, les filtres/régulateurs d'air, etc. », précise Lakmate M'Bata, chef produits Positionneurs chez Schneider Electric France.

Le type de positionneurs le plus couramment déployé dans les procédés industriels est la technologie électropneumatique. Les positionneurs pneumatiques sont en perte de vitesse, tandis que les modèles numériques gagnent de plus en plus du terrain.

Trois types de positionneurs

Mais quel est le rôle exact d'un positionneur ? Avec un actionneur seul, les perturbations de dépression et de surpression du fluide influent directement sur la force appliquée à la tige d'actionneur, ce qui déstabilise la position de la tige. Le positionneur est donc là pour maintenir l'ouverture de la vanne exigée par la régulation, en agissant sur la pression de commande ⁽¹⁾ . « Comme son nom l'indique, il permet de positionner la vanne à laquelle il est associé pour qu'elle s'ouvre à une certaine position (50 % de la course pour une vanne à clapet ou 30 % d'ouverture pour une vanne à boisseau sphérique, par exemple) », illustre Sébastien Schneider, responsable technique chez Gemü France.

En fait, le positionneur agit sur l'actionneur pneumatique, qui va assurer le mouvement linéaire ou rotatif. « Le posi-tionnement se fait selon une consigne reçue d'un automate [donc de la salle de commande, NDLR], et le positionneur compare ensuite le renvoi de position au signal de commande. S'il y a un écart, il ajuste la valeur de sortie pneumatique. Cela équivaut à une régulation de position », poursuit Tanguy Boutry, responsable Support technique et Marketing chez Samson Régulation. En plus de l'asservissement de position, un positionneur apporte d'autres avantages ⁽¹⁾ , tels que le changement du sens d'action de la vanne, de la loi intrinsèque de la vanne (positionneur à came) et/ou d'échelle dans le cas de régulation en Split-Range, l'amplification de la pression envoyée sur l'actionneur, la réduction du temps de réponse de la vanne.

Les vannes de régulation, et donc les positionneurs qui sont leur cerveau, se retrouvent dans de nombreuses industries différentes (pétrole et gaz, agroalimentaire, traitement de l'eau, énergie), car les installations sont de plus en plus instrumentées pour des questions de réglementation, d'optimisation d'énergie et de rendement.

Toutes les vannes de contrôle ne requièrent pas systématiquement l'ajout d'un positionneur. « Sa fonction première est de réguler de manière automatique le passage d'un fluide dans une tuyauterie. Mais si l'on souhaite seulement ouvrir, ou fermer, une veine fluide (Tout-Ou-Rien ou TOR), il n'est pas nécessaire d'installer un positionneur » , précise Christophe Eeckhout, responsable des marchés pharmaceutiques, biotechnologiques et cosmétiques et expert dans les vannes chez Bürkert France. Revenons au positionneur et, tout d'abord, à ses différents types. On en distingue trois : les positionneurs pneumatiques, électropneumatiques et numériques, la différence se faisant principalement sur la nature du signal de commande. Dans le cas d'un position-neur pneumatique, la consigne est en fait un signal purement pneumatique. Tous les modèles recensés acceptent une pression de consigne comprise entre 0,2 à 1 bar (soit 3 à 15 psi ou 20 à 100 kPa), et six d'entre eux proposent aussi une plage de 0,4 à 2 bar. « On met en œuvre des positionneurs pneumatiques, car le système de contrôle-commande est lui-même pneumatique. C'est le cas encore dans des raffineries situées au Maghreb et au Moyen-Orient, mais aussi dans quelques sites chimiques, où les investissements sont plus lents, et dans le domaine du nucléaire. L'absence totale d'électronique, et notamment de microprocesseur, garantit un fonctionnement même dans les conditions d'un réacteur nucléaire », affirme Daniel Arnold (Emerson Automation Solutions).

Comme ils intègrent un convertisseur I/P (Intensité/Pression), les positionneurs électropneumatiques, eux, reçoivent le signal de commande sous la forme d'un signal analogique. Il s'agit d'un signal 4-20 mA dans l'immense majorité des cas, mais on trouve aussi une tension de 0-5 V (ENP225 de l'américain Indumart Instruments), de 0-5 V/0-10 V (8692 et SideControl 8792 de l'allemand Bürkert), 0-10 V (1 434 µPos et 1 435 ePos de l'allemand Gemü, 8049-4 de l'allemand Schubert & Salzer), de 0-24 V (Smart ESD Device 700 du japonais azbil), de 9-32 V (SSx du sud-coréen Power-Genex) ou de 9-36 V (SVP-300 de l'américain Valtorc), par exemple. En sortie, le positionneur électropneumatique fournit une pression dépendante de la pression d'alimentation et selon la course de la vanne. Tant que la course n'est pas atteinte, le positionneur va agir sur la pression de sortie.

Que ce soit un modèle pneumatique ou électropneumatique, le principe de fonctionnement d'un positionneur basé sur le système mécanique « buse-palette » est très similaire, la seule différence étant la présence d'un convertisseur I/P dans un modèle électropneumatique. On peut également trouver une bobine excitant un électro-aimant pour le contrôle de la palette.

Comme les modèles pneumatiques, les positionneurs électropneumatiques se distinguent également par leur fiabilité, mais « ils pèchent par l'absence de diagnostics, ce qui oblige d'utiliser des outils externes, tels que notre système Fisher Quicklook 3-FS et le logiciel FlowScanner développé à l'origine pour l'industrie nucléaire. La tendance est d'ailleurs de passer au numérique, que ce soit en 4-20 mA Hart ou avec des bus de terrain. Nous commercialisons les trois familles [pneumatiques, électropneumatiques et numériques, NDLR] dans le même ordre de prix, afin de faire prendre conscience aux industriels que le coût n'est pas un handicap », précise Daniel Arnold. Ce que confirme Lakmate M'Bata (Schneider Electric France), en précisant que « les positionneurs “intelligents”, ou numériques, sont équipés d'une carte électronique avec un micropro-cesseur et, parfois, un algorithme PID en charge de la régulation locale, par exemple. »

Sébastien Schneider (Gemü France) ajoute qu'« avec un PID intégré, comme avec notre modèle 1436 cPos, c'est l'ensemble formé par la vanne et le positionneur, qui assure la régulation, et il n'y a plus besoin d'automate. Le système travaille ainsi en boucle fermée, et non plus en boucle ouverte. » « Si tous les types de positionneurs sont toujours utilisés, la technologie électropneumatique reste toutefois la plus vendue encore », constate Christophe Eeckhout (Bürkert France). Pour Sylvain Carry, responsable de produits Positionneurs chez Samson Régulation, « les positionneurs pneumatiques sont en fin de vie, d'où la présence d'une petite gamme seulement dans notre offre 95 % de nos ventes sont maintenant faites en technologie numérique ».

Le système mécanique de « buse-palette »

Lorsque l'on parle de positionneurs avec des représentants de fabricants, il y a un terme qui revient très souvent, celui de « buse-palette » ( voir la figure page 50 ) (2) . La pression de l'instrument agit sur son module d'entrée, qui contrôle le système mécanique « buse-palette » du relais. La pression d'alimentation, elle, est appliquée au relais et la pression de sortie du relais est transmise sur l'actionneur de la vanne. Pour un positionneur à action directe, l'augmentation de pression de l'instrument provoque le pivotement du fléau par l'intermédiaire du module d'entrée. Le fléau fait alors pivoter la palette, restreignant la buse. La pression au niveau de la buse s'élève et, par l'action du relais, s'accompagne de l'augmentation de la pression de sortie.

Cette augmentation de pression fait descendre la tige de l'actionneur. Le déplacement de la tige est transmis au fléau via un levier de contre-réaction et le ressort de la plage de course, ce qui a pour conséquence de faire pivoter la palette légèrement à l'écart de la buse, empêchant toute augmentation supplémentaire de la pression de sortie du relais. Le positionneur est à nouveau équilibré, mais à une pression d'instrument supérieure, à une position de palette légèrement différente et avec une nouvelle position de tige d'actionneur. Une chute de la pression d'instrument diminue la pression au niveau de la buse, ce qui permet au relais de dissiper la pression de charge de l'actionneur.

Le rôle d'un positionneur est, justement, de positionner la vanne à laquelle il est associé pour qu'elle s'ouvre à une certaine position (50 % de la course pour une vanne à clapet ou 30 % d'ouverture pour une vanne à boisseau sphérique, par exemple).

Dans le cas d'un positionneur à action inversée, le fonctionnement est similaire, excepté que la position de la pa-lette est inversée et utilise l'autre pivot, afin que l'augmentation de la pression d'instrument fasse tourner la palette pour l'éloigner de la buse et ainsi réduire sa pression. Tout ce que l'on vient d'expliquer est également valable pour un positionneur électropneumatique, à la seule différence près que l'on retrouve le convertisseur I/P en amont du système mécanique.

L'un des axes de développement menés par les fabricants porte sur l'amélioration de la simplicité de mise en œuvre et d'utilisation. Cela se traduit par des IHM plus conviviales, à l'image du concept « ABB Smiley ».

L'un des inconvénients du système « buse-palette » réside dans la consommation d'air instrument élevée, lorsqu'il est mis en œuvre avec des électrovannes. « Nos positionneurs intègrent toujours une “buse-palette”, mais associée à des deux micro-vannes pneumatiques, l'une vers le servomoteur et l'autre vers l'échappement. Contrairement aux électrovannes, ces micro-vannes ne “pompent” plus en permanence, une fois en position, ce qui permet de réduire significativement la consommation d'air », explique Cédric Tallandier, responsable Grands comptes au sein de la division Industrial Automation-IAMA Measurement & Analytics d'ABB France. On voit apparaître enfin une nouvelle génération de vannes qui changent complètement le paradigme actuel. « Avec les séries eSyDrive 332x et 336x, nous nous positionnons sur le marché des vannes électriques, à savoir des vannes intégrant un moteur brushless et qui sont bien plus précises de part, notamment, l'absence de frottements. Ces vannes sont donc associées à des positionneurs électriques, mais intégrés à ces dernières », explique Christophe Eeckhout (Bürkert France).

Vers des positionneurs frugaux en air

La consommation d'air instrument étant devenu un sujet très important pour les industriels, dans un contexte d'efficience énergétique, les fabricants travaillent sur la réduction de l'air consommé. « Une installation d'air instrument coûte en effet extrêmement cher pour les industriels, qui recherchent aujourd'hui à optimiser toutes les énergies. Nous avons sorti une nouvelle génération de positionneurs, qui permet d'atteindre une réduction de 40 %, grâce à un travail d'optimisation sur la partie pneumatique. Dans le cas d'un site regroupant une centaine de vannes de régulation, les économies deviennent vite substantielles », affirme Tanguy Boutry (Samson Régulation). Selon une étude menée par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe), il serait possible d'économiser de 60 à 200 euros par an et par vanne.

Parmi les autres développements réali-sés par les fabricants sur la partie pneumatique, on retrouve des positionneurs adaptés à des pressions et des débits plus importants. « Selon le type d'actionneurs (action à simple ou double effet, piston, tailles…), le positionneur devra générer des débits jusqu'à 80 000 l/h pour remplir rapidement la chambre, ou alors des pressions de 8 bar, 10 bar, voire plus encore, lorsque les volumes sont plus petits afin de créer la même force. Pour cela, nous avons développé des blocs pneumatiques dédiés différents », confirme Lakmate M'Bata (Schneider Electric France).

Les fonctions de diagnostics intégrées, plébiscitées par les utilisateurs, permettent de faire des choses vraiment intéressantes. Comme identifier des dérives de comportement (un point dur, un ressort faiblissant, une usure précoce du presse-étoupe), prémices d'un problème à venir.

En ce qui concerne l'air instrument, certains fabricants ont mis en avant un aspect à ne pas sous-estimer et qui est un autre inconvénient avec la technologie « buse-palette ». « Tout le monde est conscient que la qualité de l'air instrument n'est pas toujours au rendez-vous sur les sites. Ce qui impose une certaine robustesse vis-à-vis des particules, des poussières, etc., robustesse obtenue par un travail sur le design. L'accessibilité des filtres doit par exemple permettre de les changer rapidement », indique Lakmate M'Bata. Ce que confirme Marc Khidichian (ABB France) : « Nos positionneurs peuvent fonctionner avec un air de classe 3, ce qui correspond à la présence maximale de 90 000 particules de taille 0,5-1µm par m ³ , ou 1 000 particules de taille 1-5 µm par m ³ , à un point de rosée inférieur à - 20 °C, selon la norme ISO 8573-1: 2010 Air comprimé - Partie 1 : Polluants et classes de pureté. Les positionneurs de nombreux fabricants n'acceptent que de l'air ultra-propre (classe 2, voire classe 1). Mais ces informations sont bien souvent indiquées en tout petit dans les fiches techniques ! »

Des diagnostics pour une maintenance préventive

Une autre grande évolution dans le domaine des positionneurs englobe tout ce qui concerne la facilité de mise en œuvre et d'utilisation. « Cela se traduit par des IHM plus conviviales, avec des écrans rétroéclairés, en différentes langues, des menus full text , ou encore une molette, au lieu de boutons poussoirs, pour une utilisation rapide et simple », énumère Lakmate M'Bata (Schneider Electric France). « Dans le cas d'un positionneur intégrant un PID, il suffit d'appuyer sur quelques touches seulement pour configurer la régulation voulue », poursuit Christophe Eeckhout (Bürkert France). L'helvético-suédois ABB, lui, peut s'appuyer sur son concept « ABB Smiley », pour faciliter la tâche des opérateurs. « Cette IHM est identique quel que soit l'appareil de terrain, elle repose sur la même architecture des menus, facilitant ainsi grandement l'utilisation d'un positionneur, d'un débitmètre, etc. », rappelle Cédric Tallandier (ABB France). Au-delà de rendre les positionneurs plus intuitifs et plus simples à utiliser, les développements réalisés ces dernières années permettent aux fabricants d'ajouter des fonctionnalités supplémentaires et des protocoles de communication. Des fonctionnalités telles que Fail-Freeze – en cas de perte de l'alimentation électrique, la vanne reste dans la position où elle était, et elle ne s'ouvre pas, ou se ferme pas, complètement – ou Fail-Safe – en cas de perte de signal, le positionneur revient à sa position zéro – sont de plus en plus demandées intégrées à l'appareil.

« On trouve également la recopie de position (en option), la mesure pression intégrée, grâce à un capteur dans le positionneur, la possibilité d'enregistrement, ou encore le test de course partiel ( Partial Stroke Test ou PST) », poursuit Marc Khidichian (ABB France). La fonction PST permet de tester la réaction d'une vanne et, donc, son bon comportement en fonctionnement, en ne l'activant que sur la plage de 100 à 90 % de son ouverture, par exemple, sans devoir arrêter l'installation. « Cela permet également aux industriels d'espacer les vérifications obligatoires. On retrouve très souvent la fonction PST dans les vannes de sécurité. C'est d'ailleurs pour cette raison qu'il nous arrive de monter des positionneurs sur des vannes TOR pour disposer de cette fonction », précise Sylvain Carry (Samson Régulation).

Pour répondre au grand nombre d'applications différentes, les positionneurs peuvent disposer d'un large choix d'agréments (Atex, EHEDG, SIL 3 comme le DVC6200 SIS d'Emerson Automation Solutions).

Les fonctions de diagnostics permettent de faire des choses vraiment intéressantes. Comme il fait corps avec la vanne, le positionneur peut identifier des dérives de comportement, prémices d'un problème à venir. Par exemple, des frottements créent un point dur, qui requiert ponctuellement plus de pression pour le passer. Mais cela peut être aussi des fuites d'air, un ressort qui faiblit – une pression plus importante est alors appliquée sur toute la course – avant de casser, une dérive du point zéro, une usure précoce du presse-étoupe, etc. Quelques sociétés, telles qu'ABB, proposent même d'intégrer aussi la signature de vanne au positionneur, pour la comparer à son comportement en cours d'utilisation. Les diagnostics contribuent ainsi à une meilleure maintenance des vannes, passant d'une maintenance curative à une maintenance préventive, voire prévisionnelle.

L'une des particularités du marché des vannes de régulation réside dans le fait que certains fabricants proposent vannes et positionneurs, que d'autres sont spécialisés dans les positionneurs uniquement et que la grande majorité des acteurs ne commercialisent que des vannes.

À l'image de ce qui se passe dans toute l'usine, la numérisation (« digitalisation » pour les « Franglais ») concerne également les vannes de régulation. « Dans le cadre d'ABB Ability, nous mettons à disposition de nombreux moyens pour “digitaliser” l'usine jusqu'à l'instrumentation de process. Comme l'outil Field Information Manager (FIM), basé sur la technologie FDI [Field Device Integration, NDLR] et qui permet de configurer, mettre en service, dia-gnostiquer et maintenir les appareils de terrain, que ce soit en local, avec une tablette numérique, ou en salle de contrôle. Les utilisateurs n'ont plus à jongler entre plusieurs logiciels propriétaires », explique Cédric Tallandier (ABB France).

Du côté de Samson, la société a développé la gamme d'outils SAM Digital. « Il s'agit d'une plateforme numérique basée sur une application cloud, facilitant la remontée des informations de terrain jusqu'au cloud et la mise à disposition sécurisée de l'ensemble des données via un navigateur internet ou un smartphone. Les solutions d'exploitation des données ( plant asset management ) du marché sont assez figées, peu évolutives », constate Tanguy Boutry (Samson Régulation).

Des bus de terrain au cloud

Et les évolutions s'inscrivant dans la grande tendance de la « data » vont continuer à se faire jour, à l'instar de la solution développée par la nouvelle société Focus-On ( voir Mesures n° 919 ). Cette co-entreprise ( joint venture ) entre l'allemand Krohne et Samson a dévoilé en septembre 2019, lors de l'annonce de sa création, un système qui fusionne les technologies de vanne et de mesure. Cette vanne de régulation hyper-instru-mentée et hyper-communicante – la société parle plutôt de « nœud de traitement intelligent » – fournit ainsi un maximum de données sur le process, dans le but de réduire la complexité des installations, d'obtenir un contrôle amélioré et plus efficace des ressources, ainsi que d'accroître la disponibilité des différentes installations.

Mais les vannes de régulation ne pourront pleinement entrer dans l'ère de l'usine du futur que si les positionneurs sont en mesure de communiquer, et pas seulement en analogique. « Après les positionneurs pneumatiques des années 1950 à 1970, puis les modèles électropneumatiques avec le 4-20 mA et les 0-5/0-10 V durant les années 1970 et 1980, le protocole Hart a fait son apparition lors de la décennie suivante, puis les bus de terrain [Foundation Fieldbus et Profibus PA, NDLR]. Depuis le début des années 2000, on travaille encore sur les technologies sans fil, afin d'améliorer l'alimentation (batteries, panneaux solaires ou turbines mises en mouvement par l'air instrument) , retrace Daniel Arnold (Emerson Automation Solutions). La grande évolution technique porte aujourd'hui sur ce que l'on fait des informations issues d'un positionneur “intelligent”, comme par exemple de n'envoyer dans le cloud que les données les plus importantes ».

La société Bürkert, elle, a intégré le bus propriétaire büS ( Bürkert System Bus ), basé sur le CANopen et permettant à ses équipements compatibles EDIP ( Efficient Device Integration Platform ) de communiquer entre eux. « Au travers de la passerelle ME43, le büS permet de s'adapter à toute une liste de bus de terrain, tels que Profibus DP, Profinet, Modbus TCP, DeviceNet, EtherNet/ IP, pour la réception de la consigne et la remontée d'information. Notre positionneur 8694 peut également être connecté à un bus AS-i, que l'on rencontre surtout en agroalimentaire, et désormais à une interface IO-Link », annonce Christophe Eeckhout (Bürkert France).

À l'image du modèle 8692 de Bürkert, il est possible de connecter un positionneur en 4-20 mA Hart ou en bus de terrain. Un autre modèle du fabricant peut se connecter à un bus AS-i ou à une interface IO-Link.

D'autres fabricants travaillent, eux aussi, sur l'intégration de protocoles de communication.

Les fabricants se regroupent même parfois pour préparer l'avenir des bus de terrain. ABB, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, PhoenixContact, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Stahl, Vega et Yokogawa, en partenariat avec les organisations Fieldcomm Group, ODVA et Profibus and Profinet International (PI), travaillent depuis deux ans environ sur le projet APL ( Advanced Physical Layer ). Ce dernier porte sur le développement d'une couche physique avancée, indépendante du protocole et basée sur une extension d'Ethernet via un câblage à paire torsadée (10Base-T1L) capable d'être mise en œuvre sur de longues distances dans des endroits dangereux (Atex Zone 0 et 1). Deux protocoles seraient prévus, EtherNet/IP pour le marché américain et Profinet pour les marchés européens. Affaire à suivre…

(1) Extrait du document intitulé « Actionneurs des chaînes automatisées » de Mohamed Bouassidi. (2) Extrait du manuel d'instructions des positionneurs Fisher 3660 et 3661 d'Emerson Automation Solutions.